Forró elektronok keltése lézerfénnyel nanométeres fémrétegben
A lézerfénnyel megvilágított fémek felületén lévő elektronok olyan hullámmozgásra kényszeríthetők, amelyek a vízhullámokhoz hasonlóan viszonylag nagy távolságokra juthatnak el (legalábbis a hullámhosszhoz képest). Az ilyen elektronhullámot hívjuk felületi plazmonnak. Azaz, a levegőben terjedő lézerhullám átalakítható felület mentén terjedő elektromágneses hullámmá.
Az ELI ALPS Lézeres Kutatóintézet és a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont együttműködésében kifejlesztett különleges eszköz plazmonok segítségével azt méri, hogy mi történik a fém elektronrendszerével, ha különböző színű lézerimpulzusokkal világítják meg azt. „Az eszközzel a forró elektronok alapdinamikáját elemeztük. A forró elektronok energiaeloszlásuk alapján a környező atomokhoz képest pár száz foknak megfelelő többletenergiával jellemezhetők. Többletenergiájuk folyamatosan és gyorsan csökken, a másodperc milliárdodrészének ezredrészénél is rövidebb idő alatt elvesztik azt” – mondta el Dombi Péter, intézetünk Ultragyors Tudomány és Alkalmazások Osztályvezetője.
A plazmonhullámokat több szempontból megvizsgálták a fizikusok a központunkban készített minták segítségével. Így például igazolták, hogy a felület mentén terjedő nagyon rövid jel (hullám) külső fénynyaláb segítségével ki- és bekapcsolható. Ez a módszer ultragyors információtovábbítást, ultragyors optikai tranzisztor kifejlesztését ígéri. Dombi Péter szerint a cél az, hogy optikai jelekkel, ultragyors módon, nanoméretben olyan eszközöket építsünk, amikkel később logikai műveletek is végezhetők. Ezt a három kritériumot egyszerre azonban még nehéz teljesíteni. Osztályvezetőnk szerint a forró elektronok tulajdonságainak feltárása hozzásegíthet hatékonyabb, különböző molekulákat detektálni képes szenzorok kifejlesztéséhez, vagy akár fotokatalitikus kémiai reakciók előidézéséhez fém felületeken.
A Nano Letters-ben megjelent publikáció másik két ELI-s szerzője Budai Judit és Pápa Zsuzsanna. Tudományos munkatársaink tervezték meg, illetve készítették el azt a mintát, amivel a forró elektronok tulajdonságait vizsgálták. Ez a minta egy speciális, mindössze 50-100 nanométeres aranyréteg, amibe különleges rácsstruktúrát martak. Ez a struktúra csatolta a femtoszekundumos lézerimpulzust a felületbe.
A Nano Letters Budai Judit és Pápa Zsuzsanna – háromhőmérséklet-modellként is emlegetett – modelljét is közölte, ami a különleges hőmérsékleti viszonyokra ad magyarázatot. Az aranyfelületnek ugyanis három különböző hőmérséklete definiálható. Az egyik a forró elektronok hőmérséklete, a másik a teljes elektronrendszer hőmérséklete, a harmadik pedig a fémrétegé. Ezt a különleges hőmérsékleti állapotot a femtoszekundumos lézerimpulzus okozza az aranyrétegben. Kollégáink modellje erre az állapotra ad magyarázatot.
A Physical Review Letters-ben megjelent másik tanulmány szintén a két kutatóközpont fizikusainak eredménye: intézetünk nanofabrikációs műhelyében – Tóth Lázár kollégánk segítségével - készült mintákon a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpontban kísérleteztek. Ez az eredmény a fizika egyik látványos jelenségével, a fényelektromos hatással hozható kapcsolatba.
A fény kettős természete jól ismert: elektromágneses hullám, illetve részecske is. A fény elemi részecskéje a foton. Bő százhúsz éve ismert, hogy ha a foton energiája elegendően nagy, egy fém felületéről az elektron kiszabadulhat. Elektronok azonban csak akkor lépnek ki, ha a fémet megvilágító fény fotonjainak energiája nagyobb, vagy egyenlő a kilépési munkánál. Egy elektron kiszakításához egy foton kell, a foton energiája fedezi az elektron kilépési munkáját, a többlet energia pedig a kilépő elektron mozgási energiáját adja. Ezt a jelenséget Albert Einstein 1905-ben írta le, az összefüggést Einstein-féle fényelektromos formulának hívjuk.
A fizikusok femtoszekundumos lézerrel hozták létre az elektronok kilépését. Kutatásuk során megmérték az elektroncsomag spektrumát (mozgási energia szerinti eloszlását). Ezek a spektrumok egy bizonyos tartományban a fény kettős természetét mutatták. „Az infravörös lézeren alapuló kísérletnek az volt a szépsége, hogy a fény kétféle viselkedését egy kísérleten belül egyértelműen láttuk” – foglalta össze ezt az eredményt Dombi Péter. A kísérletek megmutatták, hogy akkor is, amikor a fény alapvetően részecskeként hat az elektronokra, az elektronok kis része úgy viselkedik, mintha hullámmal hatna kölcsön, tehát inkább hullámszerűnek „érzi” a fény hatását.