Molecular movies: Ultrafast measurements on structural dynamics of crystals and technology developments in ultrafast science | Smit | Suid-Afrikaanse Tydskrif vir Natuurwetenskap en Tegnologie
Home ▶ Vol 33, No 1 (2014) ▶	Smit
Molekulêre films: Ultravinnige strukturele dinamikametings van kristalle en tegnologiese ontwikkelings in die ultravinnige wetenskap
Authors: A.B. Smit1
Affiliations: 1Department of Physics, Stellenbosch University, South Africa
Correspondence to: A. Smit
How to cite this abstract: Smit, A.B., 2014, ‘Molekulêre films: Ultravinnige strukturele dinamikametings van kristalle en tegnologiese ontwikkelings in die ultravinnige wetenskap’, Suid-Afrikaanse Tydskrif vir Natuurwetenskap en Tegnologie 33(1), Art. #1209, 1 page. http://dx.doi.org/10.4102/satnt.v33i1.1209
Molecular movies: Ultrafast measurements on structural dynamics of crystals and technology developments in ultrafast science. Ultrafast science is an exciting physics field, enabling us to observe atoms moving within matter upon photo-excitation. Using electron ‘probe’ pulses and laser ‘pump’ pulses, we monitor dynamics in remarkable short time scales (10-15 s) with microscopic precision (10-11 m). We investigate an ultrafast insulator-to-metal transition in TSe2 and TaSe2 crystals.
Die ultravinnige wetenskap is ’n goed gevestigde veld in fisika wat insig bied in fotongeïnduseerde dinamiese reaksies binne-in materie. Die merkwaardigste kenmerk van hierdie veld is die tydskaal waarop die dinamika ondersoek kan word. Deur van die sogenaamde pompondersoek- (pump-probe) tegniek gebruik te maak, kan hierdie dinamika op femtosekondetydskale (10-15 s) bestudeer word. Ultravinnige elektrondiffraksie (UED) is ’n opwindende aspek van hierdie veld. Dit is ’n kragtige tegniek om na die strukturele femtosekondedinamika van kristallyn materie op molekulêre dimensies (< 10-11 m) te kyk. Die uiteindelike doel van hierdie tegniek is om ‘molekulêre films’ van atome se beweging binne-in die materie te volg.
UED kombineer twee tegnieke. Eerstens, gebruik dit konvensionele elektrondiffraksie met ’n verandering in die elektronpulse wat foto-elektries met behulp van femtosekondelaser pomppulse gegenereer word. Hierdie gegenereerde femtosekonde-elektronondersoekpuls word deur ’n monster geskiet en produseer diffraksiepatrone op die detektor. Strukturele molekulêre inligting kan dan uit hierdie diffraksiepatrone ingesamel word. Omdat die elektronstraalpulse baie kort is (~500fs), is hierdie diffraksiepatroon net ’n kiekie (snapshot) van die kristal gedurende die blootgestelde tyd.
Tweedens word ’n femtosekondelaser pomppuls gebruik om die monster direk te verlig ten einde die molekulêre dinamika wat ondersoek moet word, te inisieer. Aangesien die laserpomppuls en die ondersoekpuls een elektron uitmekaar van dieselfde laser afkomstig is, kan die tydverskil tussen die twee baie noukeurig beheer word. Hierdie tydverskil kan aangepas word deur die relatiewe padlengte van die pomp- en ondersoekpulse te verander sodat hulle op bepaalde tye arriveer. Op hierdie manier kan ons die tyd bepaal waarop die kiekie geneem word nadat die dinamika geïnisieer is.
Met behulp van UED is verskeie anorganiese kristalle soos TaSe2 en TaS2 ondersoek en uitgebreide kennis oor hul dinamiese gedrag bekom. Hierdie kristalle is van belang omdat hulle by ‘n drempeltemperatuur ’n drastiese verandering in geleiding toon. Die isolator-tot-metaal-faseoorgang word veroorsaak deur ’n herrangskikking van die elektrondigtheid in die materiaal, wat as ’n digtheid veranderings golf (charge density wave [of CDW]) bekend staan. Die CDW veroorsaak op sy beurt ’n strukturele vervorming van die kristalrooster wat deur elektronpulse waargeneem word. Die CDW word vernietig deur energie deur middel van optiese pomppulse in die elektroniese stelsel van die materie te deponeer. Die versteuring en herstel van die kristalstruktuur vind plaas in die pikosekondetydraam, wat dan met behulp van hierdie UED-opstelling waargeneem kan word. Deur sulke tydskale te ondersoek, kan lig gewerp word op die fisikabeginsels wat ten grondslag van CDW-formasie lê.
Daar word voorts gefokus op belowende UED-tegnologie-ontwikkeling, soos onder andere ’n streep- (streak) kamera en elektronpulskompressor. Hierdie tegnieke het al baie belangstelling vanuit die UED-gemeenskap ontlok. Die streepkamera skei die tydelike inligting ruimtelik uit om die tydsduur van die puls te bepaal.
Hierdie elektronpulskompressor werk teen die versterkte Coulomb-afstoting om ’n groter aantal elektrone binne ’n puls saam te pers. Deur die aantal elektrone te verhoog, word meer sein binne dieselfde insameltyd versamel, en daarby word die tydelike verbreding van die pomppuls verminder.