Amikor a fény találkozik az anyaggal: Kaiserslauteri kutatók vizualizálják az optikai gerjesztés hatékonyságát az összetett anyagokban

Optikai gerjesztés a szilárdtestben, majd a fotoemittált elektronok interferenciája. Lent láthatók azok az orbitálok, amelyek orientációja az atomhelyzetekhez (kis fehér gömbök) viszonyítva felelős az átmeneti dipólmomentumok orientációjáért. A görbék szemléltetik a két keresztbe vetített impulzus által bejövő optikai gerjesztéseket. Fölötte látható a várt kísérleti mérési jel formája. (Fotó: Nature Communications)

A fény és anyag kölcsönhatása például azt eredményezi, hogy a növények fotoszintézist végeznek, és napelemek elektromos áramot termelnek. A fényelnyelés hatékonyságát az anyagban a mikroszkopikus szinten az úgynevezett átmeneti dipólmomentumok határozzák meg. A Kaiserslauterni Technológiai Egyetem (TUK) Prof. Dr. Martin Aeschlimann és Dr. Benjamin Stadtmüller kutatócsoportja most egy módszert fejlesztett ki, amellyel láthatóvá tehetőek ezek a dipólmomentumok az anyagokban. Ez az eljárás az elektronok koherens interferenciáján alapul, amelyeket egy anyag optikai gerjesztése során fotoemittál. A „Nature Communications” szakfolyóirat publikálta az eredményeket.

Mennyire hatékonyan lép kölcsönhatásba a fény az anyaggal? Erre a kérdésre két tulajdonság ad választ: a fény színe (hullámhossza) és a beesési szöge az anyag felületéhez képest. Ha a fény kedvezőtlen szögben éri az anyagot, akkor csak nagyon kevés kerül belőle elnyelésre. Más szóval, a fény alig adhatja át az energiáját a tömör anyagnak. Másrészt azonban vannak olyan irányok, ahol rendkívül hatékony a fény elnyelése az anyagban. Ez az irányfüggő fényelnyelés a mikroszkopikus szinten az említett átmeneti dipólmomentumokkal írható le. Ezek tükrözik az elektronikus állapotok szimmetriáit az anyagban, így azok a szerkezetük által is meghatározottak.

Az olyan festékmolekulák esetében, mint amilyenek például a fotoszintézis során is alkalmazottak, szinte teljes mértékben értjük az optikai átmeneti dipólmomentumok irányultságát és az ehhez kapcsolódó szögfüggő fényelnyelést. Ha ezek a molekulák különösen erős szerkezeti szimmetriával rendelkeznek, például hosszanti széngyűrűk összekapcsolásával, akkor a dipólmomentum azok mentén vagy merőlegesen azokra az irányokra irányul. Ha a fény elektromos mezeje párhuzamos a dipólmomentumokkal, akkor hatékonyan elnyelődik.

Az olyan fémes vagy félvezető tömör anyagrendszerek esetében, amelyeket a fotovoltaikus energiaátalakításban használnak, nem alkalmazható ez a szemlélet. Ennek oka, hogy ezekben a rendszerekben sok elektronikus állapot keveredik egymással.

Ezeket a kihívásokat a Kaiserslauterni kutatók most megoldották. Ehhez az ezüstfelszín optikai gerjesztését elemezték a fotoemittált elektronok segítségével. A módszer különlegessége a kísérleti felépítés: a mintát két azonos fénycsóvát helyettesítő, egymásra merőleges, „keresztezett” elektromos mezővel rendelkező fénycsóvát alkalmaznak. „Ezzel a speciális elektromos fénymező elrendezéssel nagyon érzékeny optikai szenzort hoztunk létre a dipólmomentumok irányának meghatározására az anyagokban” – magyarázza Tobias Eul, a tanulmány első szerzője. „A dipólmomentumok irányát nagyjából a mérési jel magasságából lehet kiszámítani, attól függően, hogy a keresztezett lézerimpulzusok hogyan helyezkednek el a minta felületéhez képest.” Ezt a módszert további részletes numerikus szimulációk is megerősítették.

Kísérletük során a kutatók két különböző optikai gerjesztési csatorna átmeneti dipólmomentumait mutatták ki az ezüstfelszínen. Emellett következtetéseket vontak le az elektronikus állapotok keveredéséről az ezüst tömegében. Módszerük és az alapul szolgáló elméleti megfontolások általánosan alkalmazhatók tömör anyagrendszerekre. Ezáltal a jövőben lehetőség nyílik arra, hogy további összefüggéseket fedezzenek fel az anyagszerkezet szimmetriái és az optikai gerjesztés hatékonysága között.

Ez a tanulmány a Spin+X („Spin a kollektív környezetében”) különleges kutatási program keretében készült, melyet a TUK és a Mainz-i Johannes Gutenberg Egyetem közösen támogat a Német Kutatási Központ (DFG). A mérési eredmények, szimulációk és a kísérleti felépítés részletes leírása a rangos „Nature Communications” szaklapban jelent meg: „Koherens válasz az elektronikus rendszerben, amit nem interferáló lézerimpulzusok váltanak ki”; Tobias Eul, Eva Prinz, Michael Hartelt, Benjamin Frisch, Martin Aeschlimann és Benjamin Stadtmüller szerzőkkel.

A cikk angol nyelven ingyenesen elérhető: doi.org/10.1038/s41467-022-30768-9

Kérdésekre válaszol:
Dr. Benjamin Stadtmüller
Ultraszéles felületi jelenségek szakterülete / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: bstadtmueller@physik.uni-kl.de