Το λέιζερ ακτίνων Χ ανακαλύπτει πώς τα ηλεκτρόνια χορεύουν με ατομικούς πυρήνες στα υλικά

Χρησιμοποιώντας το λέιζερ ακτίνων Χ παλμούς ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από την αναλαμπή ενός ματιού, οι επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών του Τμήματος Ενέργειας έχουν καταγράψει την εξαιρετικά γρήγορη κίνηση των ηλεκτρονίων σε υλικά, παρέχοντας νέα εικόνα για το πώς συμβαίνουν υποατομικές αλληλεπιδράσεις.

Οι παλμοί υψηλής ενέργειας, που παράγονται από το Λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου ακτίνων Χ της SLAC, η πηγή φωτός Linac (LCLS), επέτρεψαν στους ερευνητές να "βλέπουν" τους ατομικούς πυρήνες σε ένα υλικό ημιαγωγών να δονείται και να χλευάζουν και να παρακολουθούν ηλεκτρόνια και να κυκλοφορούν γύρω τους σχεδόν την ταχύτητα του φωτός.

Οι παρατηρήσεις μπορούν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να μηχανίσουν νέα υλικά με προσαρμοσμένες ηλεκτρονικές ιδιότητες, όπως εκείνες που απαιτούνται για πιο ισχυρά ηλεκτρονικά, επεξεργασία δεδομένων υψηλής ταχύτητας και νέες οπτοηλεκτρονικές συσκευές.

Η ερευνητική ομάδα στο SLAC χρησιμοποίησε μια ειδική γραμμή δέσμης στο LCLS που ονομάζεται όργανο ακτίνων Χ αντλίας-probe, το οποίο έχει σχεδιαστεί για την παρακολούθηση υποατομικών διεργασιών να παίζει σε αργή κίνηση. Η γραμμή δέσμης διαθέτει μια ειδική "κάμερα ακτίνων Χ" για να καταγράψει με ακρίβεια τις θέσεις και τις κινήσεις των ηλεκτρονίων και των πυρήνων στα υλικά.

Οι ερευνητές έστειλαν ένα σύντομο, έντονο παλμό ακτίνων Χ σε ένα δείγμα αρσενίου γαλλίου, ένα υλικό ημιαγωγού, για να χτυπήσουν μερικά από τα ηλεκτρόνια από τις τροχιές τους γύρω από τους ατομικούς πυρήνες. Στη στιγμή που χτυπήθηκαν οι ακτίνες Χ, ένας δεύτερος, ασθενέστερος παλμός ακτίνων Χ φωτίζει το δείγμα καθώς τα ηλεκτρόνια αναδιατάχθηκαν, παρέχοντας στιγμιότυπα των ατόμων και τα στροβιλώδη σύννεφα ηλεκτρονίων τους.

"Διαπιστώσαμε ότι μερικά από τα ηλεκτρόνια αντέδρασαν στους παλμούς ακτίνων Χ πιο γρήγορα από ό, τι αναμενόταν", δήλωσε ο επιστήμονας του προσωπικού της SLAC και ο συν-συγγραφέας Jun-Sik Lee. "Ήταν ουσιαστικά σερφάρισμα στο κύμα που δημιουργήθηκε από τον παλμό ακτίνων Χ, κερδίζοντας επιπλέον ενέργεια και επιταχύνοντας σε απίστευτα γρήγορες ταχύτητες".

"Βλέποντας το Electrons Surfing ήταν μια έκπληξη, αλλά όταν αναλύσαμε προσεκτικά τις εικόνες μας, συνειδητοποιήσαμε ότι δεν έπρεπε να ήταν", δήλωσε ο διευθυντής Linac Ceherent Light Source (LCLS) Mike Dunne, συν-συγγραφέας της μελέτης. "Ήταν απλά μία από αυτές τις περιπτώσεις όπου η συμπεριφορά που παρατηρήσαμε είχε προβλεφθεί από κάποιον άλλο - στην περίπτωση αυτή, από τους θεωρητικούς πριν από περίπου 70 χρόνια".