Dansk forsker observerer ny eksotisk partikel med superfokuseret lys

Til venstre lagene af bornitrid og WS2. Bag lagene ses et billede af selve effekten, som er opdaget, hvor farverne viser energispektret af elektronerne i materialet målt med MicroArpes. Spektrets ændring ved elektrondopingen kan følges i billedserien, hvor halvlederens elektroniske tilstande, de såkaldte valensbånd og ledningsbånd, kan observeres. Pilene viser fremkomsten af trionen, som også er illustreret i det sidste billede. Illustration: Søren Ulstrup

Vil man vide alt om, hvordan nye og gamle materialer virker og interagerer med omgivelserne, skal man kunne zoome helt ind på elektronerne og lige så stille pille ved dem for at se, hvad der sker.

Det kræver en helt utroligt præcis lyskilde, som kan slå elektronerne fri af materialet, så man kan observere deres energispektre og kvantemekaniske egenskaber nærmere.

Netop sådan en lyskilde har danske Søren Ulstrup fra Aarhus Universitet været med til at udvikle under sit postdoc-ophold ved det amerikanske nationallaboratorium Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien i et projekt, som nu er blevet til en artikel i det anerkendte tidsskrift Nature Physics.

»Vi er gået fra at kunne måle på elektronerne i materialer, der skulle være homogene på mm-niveau, til at kunne zoome ind på strukturer så små som 120 nm. Det åbner en helt ny verden inden for materialeforskning,« fortæller Søren Ulstrup om metoden, som forskerne kalder microArpes (Micro Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy).

Aarhus Universitet sammenligner forbedringen i rumlig opløsning med at gå fra at kunne skimte en baghave til at kunne fokusere på et enkelt græsstrå og se, hvordan det opfører sig i forhold til resten af plænen.

Læs også: Spørg Scientariet: Hvordan skaber man vakuum i en partikelaccelerator?

Fidusen ligger i at optimere de optiske elementer, man bruger til at fokusere lyset. Den ultimative rumlige opløsning på 120 nm opnås ved hjælp af et avanceret og meget fint gitter kaldet en 'Fresnel Zone Plate', der spreder lyset i fokuserede pletter ved hjælp af diffraktion. Det er første gang, et sådant gitter er brugt til dette formål, fortæller Søren Ulstrup.

Lys fra Advanced Light Source sendes ind mod prøven nederst til højre. Lyset udbredes fra en spalte og rammer det fokuserende optiske element, som fungerer som en slags filter, der kun tillader ultrafokuseret lys at slippe igennem. Fra filtret sendes lys ind mod prøven, og de afslåede elektroner opfanges i spektrometret, der udfører selve målingen. Illustration: Søren Ulstrup

»Denne idé med at fokusere lys med 'Zone Plates' er blevet populær i forskellige former for lysmikroskopi, hvor man anvender hårde røntgenstråler til at kigge på strukturen af materialer,« forklarer han og fortsætter:

»Det er noget helt nyt at kunne forene denne teknik med eksperimenter, hvor man, som vi gør, kigger på de elektroner, der slås fri af materialet pga. vekselvirkningen med lyset. Lidt forenklet kan man sige, at vi nu har fået adgang til elektronernes verden i meget små strukturer,« siger Søren Ulstrup.

Observerede ny eksotisk partikel

Studiet er udført ved Berkeleys synkrotron Advanced Light Source med støtte fra Det Frie Forskningsråds Sapere Aude-program. Her udviklede og udførte Søren Ulstrup eksperimenterne på de mikroskopiske materialer, som artiklens anden førsteforfatter, Jyoti Katoch, fandt og stablede manuelt.

Eksperimentet var derfor todelt. Kunne det lade sig gøre at få et endnu bedre blik ind i atomernes verden end hidtil? Og ville man gøre nye spændende opdagelser, hvis det lykkedes?

Læs også: Så er der hul igennem for europæisk røntgenlaser

Det blev et ja til begge spørgsmål.

Lysfokuseringen gav pote over al forventning, da det lykkedes at undersøge elektronernes kvantemekaniske egenskaber i et atomtyndt lag af det forholdsvis nye halvledermateriale wolframdisulfid (WS2).

Figuren viser fra bunden: Lag af bornitrid (grå og brune kugler er bor og nitrogen atomer), et lag af wolframdisulfid (wolfram-atomer er blå og bundet til gule svovlatomer). Lagt ovenpå er 'elektronernes energilandskab' i det halvledende wolframdisulfid. Dannelsen af en trion i dette energilandskab er illustreret via en elektron (sort kugle) og to 'huller' (hvide kugler). Baggrunden er rå data fra eksperimentet, som direkte viser elektronernes kvantetilstande i denne lagkage. Illustration: Søren Ulstrup

Frem dukkede nemlig en eksotisk partikel, kaldet en trion.

Da det fokuserede lys ramte WS2, blev elektroner slået fri af materialet. Processen efterlod som ventet 'huller' i energispektret af WS2, men lige netop i dette materiale var vekselvirkningen mellem disse 'huller' og de tilbageværende elektroner så stor, at de bandt trefoldigt til hinanden og dannede disse nye partikler.

Forskerne havde en idé om, at der var gode betingelser for at finde denne form for partikel i WS2 pga. de stærke vekselvirkninger mellem elektroner og 'huller'. Men de havde ikke forventet noget.

»Vi blev meget overraskede, da vi så denne binding. Det havde vi ikke regnet med,« fortæller Søren Ulstrup.

Læs også: Vis mig dit kontor (5): Kometforskeren, der elsker Star Wars og kaffekrus

Fremkomsten af trionen skete i takt med, at det halvledende WS2 blev fyldt – eller dopet – med elektroner. Det gav en kæmpe forøgelse af separationen mellem de energitilstande, der husede elektronernes spin inde i WS2.

»Normalt medfører denne elektrondoping blot et monotont skifte af energitilstandene, men her så vi ligefrem en kæmpe separation,« siger han.

Vigtig for spintronics

Søren Ulstrup understreger, at observationen kan blive vigtig for udviklingen af 'spintronics', dvs. udførelse af logiske processer med elektroners spin i stedet for med deres ladning, som man bruger i almindelig elektronik.

I spintronics har man længe søgt efter materialer, hvor dette spin kunne styres, og det er lige netop, hvad der er opnået her ved hjælp af denne elektrondoping, fortælle Søren Ulstrup videre.

»Det er samme princip, der danner grundlag for al moderne elektronik, hvor man bruger 'dopede' halvledere (såsom silicium) i form af transistorer og dioder til at udføre logiske processer. Her er det blot elektronernes ladning, man styrer,« uddyber Søren Ulstrup.

Læs også: Aarhus-forskere tager første skridt mod at lave en gammastrålelaser

»Hvis vi nu kan overføre samme principper til også at styre elektronernes spin i særlige materialer, så udvider vi værktøjskassen med mulige logiske operationer og kan derved designe helt nye komponenter,« siger han.

Under materialet wolframdisulfid (WS2) blev lagt et lag bornitrid (BN) for at holde WS2's egenskaber så uforstyrrede som muligt. Bornitrid fungerer nemlig som en ideel isolator, der ikke påvirker WS2's funktionalitet, hvorimod andre materialer ville kunne nedsætte vekselvirkningen mellem elektroner og 'huller' i WS2 så kraftigt, at effekten ikke ville kunne observeres.

Ifølge Søren Ulstrup kan man sammenligne denne stabling af forskellige atomtynde materialer med at lege med Lego, hvor man stabler klodserne for at udnytte de grundlæggende egenskaber af de enkelte byggedele så effektivt som muligt.

Forskningen fortsætter i Danmark

Søren Ulstrup kom hjem til Danmark i 2017 og er nu ansat som adjunkt ved Aarhus Universitet, hvor han skal opbygge og videreføre sine eksperimenter på synkrotronen ASTRID2 med støtte fra Villum Fondens Young Investigator Programme.

Læs også: Aarhus-forsker: Vi har genskabt universets livgivende byggeklodser i laboratoriet

ASTRID2 er ifølge Søren Ulstrup den ideelle kilde til videre forsøg pga. den høje intensitet og det gode fokus af det lys, synktrotronen udsender.

»Målet er at kunne se 'live', hvad der sker med elektroner i f.eks. halvledende nanomaterialer, når man doper med elektroner eller endda sender en strøm igennem. Vi ved ikke i dag, hvad der præcist sker med elektronerne og deres kvantemekaniske egenskaber ved konkrete anvendelser. Det vil vi gerne se og måle på direkte,« siger han.

Og når setuppet er parat, er det bare at gå i gang. For med 'Lego-metoden' kan alle mulige materialer i princippet stables og undersøges.

»Vi kan ændre på rækkefølgen i det uendelige og se, hvad der sker. Jeg håber på, at det bliver revolutionerende forskning, hvor vi ser en masse nye ting,« siger Søren Ulstrup og fortsætter:

»Nu har vi hammeren, så skal vi bare finde en masse søm at slå i brættet.«