Fizik/Kimya

Ultrafast Kameralar Elektronların Hareketini Yakalar

0

Işığın güneş pillerinde olduğu gibi elektriğe dönüştürülmesi sırasında, başlangıçtaki ışık enerjisinin büyük bir kısmı kaybolur. Bu, elektronların malzemelerin içindeki davranışlarından kaynaklanmaktadır. Işık bir malzemeye çarparsa; elektronları, enerjiyi çevreye geri vermeden önce, saniyenin bir kısmı için enerjisel olarak uyarır. Birkaç femtosaniyelik aşırı kısa süreleri nedeniyle (bir femtosaniyelik saniyenin dörtte biri kadardır) bu süreçler bugüne kadar pek keşfedilmedi. Pr. Michael Bauer ve Pr. Kai Roßnagel başkanlığında, Kiel Üniversitesi’nde Deneysel ve Uygulamalı Fizik Enstitüsü’nden bir ekip; elektronların çevreleriyle olan enerji değişimlerini gerçek zamanlı olarak incelemeyi ve bireysel aşamaları ayırt etmeyi başarmıştır. Deneylerinde, grafiti; yoğun, ultra kısa ışık darbesiyle ışınladılar ve elektronların davranışı üzerindeki etkisini filme aldılar. Gelecekte ultra hızlı optoelektronik bileşenlerdeki uygulamalar için kapsamlı süreçlerin anlaşılması önemli olabilir.

Bir malzemenin özellikleri, kurucu elektronlarının ve atomlarının davranışına bağlıdır. Elektronların davranışını tanımlamak için temel bir model, Nobel Ödülü sahibi Enrico Fermi’nin adını taşıyan Fermi Gazı kavramıdır. Bu modelde, malzemedeki elektronların gazlı bir sistem olduğu düşünülmektedir. Bu şekilde birbirleriyle etkileşimlerini tanımlamak mümkündür. Elektron davranışını gerçek zamanlı olarak bu tanımlamaya dayanarak takip etmek için, Kiel araştırma ekibi aşırı zamansal çözünürlüğe sahip araştırmalariçin bir deney geliştirdi: Bir malzeme numunesi ultra hızlı bir ışık darbesiyle ışınlanırsa, elektronlar kısa bir süre boyunca uyarılır. İkinci bir gecikmeli ışık atımı, bu elektronların bazılarını katı maddeden serbest bırakır. Bunların ayrıntılı bir analizi, ışıkla ilk uyarımdan sonra malzemenin elektronik özellikleri ile ilgili sonuçların çıkarılmasını sağlar. Özel bir kamera, tanıtılan ışık enerjisinin elektron sistemi üzerinden nasıl dağıldığını gösterir.

Dünyanın En Hızlı Sistemlerinden Biri

Kiel sisteminin özelliği, 13 femtosaniyelik son derece yüksek geçici çözünürlüğe sahip olmasıdır. Bu onu dünyadaki en hızlı elektron kameralarından biri yapar.

CAU’da Ultra Hızlı Dinamizm Profesörü olan Michael Bauer: “Kullanılan ışık atımlarının son derece kısa süresi sayesinde, ultra hızlı prosesleri canlı olarak izleyebiliyoruz. Araştırmalarımız burada şaşırtıcı miktarda bir şeyler olduğunu göstermiştir.”

Sistemi, Senkrotron Radyasyonu ile Katı Hal Araştırma Profesörü olan Kai Roßnagel’in çalışma grubu ile birlikte geliştirdi.

Mevcut deneylerinde, araştırma ekibi sadece 7 femtosaniye süreli kısa, yoğun bir ışık atımlı grafit numuneyi ışınladı. Grafit basit bir elektronik yapı ile karakterizedir. Bu nedenle, temel işlemler özellikle açıkça gözlemlenebilir. Deneyde, foton olarak da adlandırılan etkileyici ışık parçacıkları elektronların termal dengesini bozmuştur. Bu denge, elektronlar arasında kesin olarak tanımlanabilen bir sıcaklığın hakim olduğu durumu tarif eder. Kiel araştırma ekibi daha sonra, yaklaşık 50 femtosaniyeden sonra bir denge sağlanana kadar elektronların davranışını filme aldı.

Çok Kısa Bir Süre İçinde Sayısız Etkileşimler

Film esnasında, bilim insanları, uyarılan elektronların etkileyici fotonlarla, malzemedeki atomların ve diğer elektronların sayısız etkileşim sürecini gözlemledi. Film çekimlerine dayanarak, bu ultrashort döneminde farklı evreleri ayırt edebildiler: İlk olarak, ışınlanmış elektronlar, fotonların grafit içindeki ışık enerjisini emdi ve böylece onu elektrik enerjisine dönüştürdü. Daha sonra enerji, etrafındaki atomlara geçmeden önce diğer elektronlara dağıtıldı. Bu son işlemde, elektrik enerjisi nihayetinde kalıcı olarak ısıya dönüşür; grafit ısınır.

Kiel araştırma ekibinin deneyleri de ilk kez teorik tahminleri doğrulamaktadır. Bu kısa sürede çok az araştırılan bir araştırma konusuna yeni bir bakış açısı sağladılar.

Bauer: “Yeni teknik olanaklarımız sayesinde, bu temel, karmaşık süreçler doğrudan ilk kez gözlenebilir”.

Bu yaklaşım, gelecekte umut verici optik özelliklere sahip malzemelerdeki hafif ajite edilmiş elektronların ultra hızlı hareketlerini araştırmak ve optimize etmek için de uygulanabilir.

Spread the love

Ağrının Kökenleri

Previous article

3D Baskılı Robot El, Piyano Çalıyor

Next article

Comments

Leave a reply

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Login/Sign up