Když světlo dopadá na hmotu: Výzkumníci z Kaiserslauternu vizualizují účinnost optického vzbuzení v pevných látkách

Optické vzbuzení v pevném tělese s následnou interferencí emitovaných elektronů. Níže jsou zobrazeny orbitaly, jejichž orientace vzhledem k atomovým pozicím (malé bílé koule) je odpovědná za orientaci přechodových dipólových momentů. Křivky ilustrují optické vzbuzení přicházející shora dvěma zkříženými pulzy. Nad tím je zobrazena tvar očekávaného experimentálního měřicího signálu. (Foto: Nature Communications)

Interakce světla a hmoty zajišťuje například, že rostliny provádějí fotosyntézu a solární články mohou generovat elektřinu. Účinnost absorpce světla v hmotě je na mikroskopické úrovni určena takzvanými přechodovými dipólovými momenty. Výzkumná skupina profesora Dr. Martina Aeschlimanna a Dr. Benjamina Stadtmüllera na TU Kaiserslautern (TUK) nyní vyvinula metodu, jak zobrazit orientaci těchto dipólových momentů v pevných látkách. Ta je založena na koherentním překrývání elektronů, které pevná látka při optickém vzbuzení fotoemitují. Výsledky byly zveřejněny v odborném časopise „Nature Communications“.

Jak efektivně může světlo interagovat s hmotou? Odpověď na tuto otázku je ukryta ve dvou vlastnostech dopadajícího světla: jeho barvě (vlnové délce) a úhlu dopadu na povrch materiálu. Pokud světlo dopadne na materiál pod nevýhodným úhlem, je absorbováno jen velmi málo. Jinými slovy, světlo téměř nemůže předat svou energii pevné látce. Na druhé straně existují směry dopadu, při nichž dochází k extrémně efektivní absorpci světla v materiálu. Tato závislost na směru je na mikroskopické úrovni popsána zmíněnými přechodovými dipólovými momenty. Ty odrážejí symetrie elektronických stavů látky a jsou tedy rovněž určeny její strukturou.

U barevných molekul, například těch, které se používají při fotosyntéze, je orientace optických přechodových dipólů a s tím související úhlově závislá absorpce světla téměř plně pochopena. Pokud mají takové molekuly výraznou strukturální symetrii, například díky podélné spojitosti uhlíkových kruhů, je dipólový moment orientován podél nebo kolmým směrem k této ose symetrie. Pokud je elektrické pole světla paralelní k dipólovým momentům, je světlo efektivně absorbováno.

U kovových nebo polovodičových pevných systémů, které se používají pro získávání energie v fotovoltaice, však nelze tuto názornou logiku uplatnit. Důvodem je, že v těchto systémech se překrývá mnoho elektronických stavů.

Tuto výzvu nyní překonali výzkumníci z Kaiserslauternu. Analyzovali optické vzbuzení na stříbrném povrchu pomocí fotoemitovaných elektronů. Zvláštností nového přístupu je experimentální uspořádání: místo dvou identických světelných pulzů používají vědci sekvenci dvou světelných pulzů s navzájem kolmými „kříženými“ elektrickými poli. „Díky této speciální konfiguraci elektrických světelných polí jsme mohli realizovat velmi citlivý optický senzor pro orientaci dipólových momentů v materiálech,“ vysvětluje Tobias Eul, hlavní autor studie. „Orientace dipólových momentů může být odvozena z výšky signálu při různých směrech křížených laserových pulzů vzhledem k povrchu vzorku.“ Obecná platnost tohoto postupu byla dále potvrzena podrobnými numerickými simulacemi.

V rámci svého experimentu výzkumníci zobrazili přechodové dipólové momenty ze dvou různých optických kanálů na stříbrném povrchu. Zároveň mohli učinit závěry o překrytí elektronických stavů v objemu stříbrného pevného tělesa. Jejich metoda a základní teoretické úvahy lze obecně aplikovat na systémy pevných látek. Díky tomu je možné v budoucnu získat další poznatky o vztahu mezi symetriemi struktury látky a účinností optického vzbuzení.

Práce na této studii probíhaly v rámci specializovaného výzkumného centra Spin+X („Spin v jeho kolektivním prostředí“), které je financováno společně TUK a Johannes Gutenberg-Universität Mainz Německým výzkumným spolkem. Výsledky měření a simulací, stejně jako popis experimentálního uspořádání, byly publikovány v prestižním odborném časopise „Nature Communications“: „Koherentní odezva elektronického systému řízená neinterferujícími laserovými pulzy“; Tobias Eul, Eva Prinz, Michael Hartelt, Benjamin Frisch, Martin Aeschlimann & Benjamin Stadtmüller.

Anglicky psaný článek je volně dostupný na: doi.org/10.1038/s41467-022-30768-9

Otázky zodpovídá:
Dr. Benjamin Stadtmüller
Obor ultrarychlých jevů na površích / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: bstadtmueller@physik.uni-kl.de