Nya ickelinjära optiska plattformar för avancerade material
- Diarienummer
- FFL24-0144
- Projektledare
- Viotti, Anne-Lise
- Start- och slutdatum
- 250801-300731
- Beviljat belopp
- 15 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- Lunds tekniska högskola
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Växelverkan mellan ljus och materia är kärnan i funktionaliseringen av enheter i nanometerskala som förlitar sig på ultrasnabba elektroniska processer för att förbättra skörden av solljus eller datorkraft. För att förstå hur nanostrukturerade material beter sig och hur deras design kan förbättras är avancerad karakterisering avgörande. För att samtidigt uppnå hög spatial och temporal upplösning utförs fotoemissionselektronmikroskopi under ultrasnabb ljusexcitering. I vanliga laboratoriemiljöer står denna metod inför svåra utmaningar: a) rymdladdningseffekt, som leder till långa exponeringstider och dålig bildkvalitet; b) komplex och ineffektiv generering av ultrakorta laserpulser; c) begränsad avstämbarhet av ljusvågländ för elementselektivitet. I motsats till stora anläggningar som frielektronlasrar, är projektets huvudsyfte därför att utveckla en kompakt optisk plattform för tids- och spatialupplösta experiment. Målen är: 1) att utföra pulspostkomprimering av industriella femtosekundlasrar med hög repetitionsfrekvens; 2) att spektralt forma laserfält via ultrasnabb icke-linjär optik; 3) att ställa in excitationsljusvåglängd ner till det extrema UV-området via övertonsgenerering. Ett framgångsrikt projekt kommer att leda till ett bordsbaserat elektronmikroskopiexperiment med en aldrig tidigare skådad tids- och spatialupplösning samt kemisk känslighet. Projektet utlovar en teknisk omställning som revolutionerar kompakt ultrakort puls- och XUV-ljusgenerering.
Populärvetenskaplig beskrivning
Forskare har under många år framgångsrikt manipulerat material för att tillverka strukturer med extremt små storlekar, i nanometerskalan (10-9 meter). Miniatyrisering av transistorer, de grundläggande byggstenarna i våra datorer och smartphones, gör det möjligt att skapa mycket kraftfulla datachips i storleken av en fingernagel. Vissa nanostrukturer interagerar med ljus på överraskande sätt. Exempelvis absorberar tunna halvledarnålar, även kallade nanotrådar, effektivt solljus och omvandlar det till elektrisk energi. Framtida solceller som använder dessa avancerade enheter förväntas överträffa effektiviteten hos dagens kommersialiserade solpaneler. Andra typer av strukturer är utformade för att koncentrera ljuset till de allra minsta ytorna. En sådan anordning kan användas inom sjukvården som en icke-invasiv sensor och för detecktion av enstaka molekyler. Naturligtvis ställs forskarna inför flera utmaningar när de studerar nanostrukturer. För det första kan de inte ta bilder med ett konventionellt ljusmikroskop eftersom optisk diffraktion begränsar den spatiala upplösningen. Istället måste de använda elektroner som frigörs från nanostrukturernas yta för att skapa bilder. Dessutom sker många av de processer som de vill undersöka på mycket snabba tidsskalor, inom några femtosekunder (10-15 sekunder). Det enda sättet att ta ögonblicksbilder av dessa händelser är att använda laserpulser med femtosekunders varaktighet, som fungerar som en kamerablixt. Slutligen kan vissa av de ultrasnabba processerna i specifika material bara utlösas om ljuset har tillräckligt hög energi, eller med andra ord, en mycket kort våglängd inom det extremt ultravioletta området. Det föreslagna projektet kommer att kombinera forskningsområdena ultrasnabba lasrar, icke-linjär optik, atomfysik och materialvetenskap för att realisera en kompakt och effektiv ljuskälla för fotoemissionselektronmikroskopiska experiment på nanometer- och femtosekundskalan. Industriella lasersystem med hög effekt kommer att uttnyttjas, och ljuset kommer att manipuleras tidsmässigt och spektralt för att fungera på de snabbaste tidsskalorna och möjliggöra kemisk känslighet i de undersökta materialen. Ett förväntat experiment är spridningen av ett lokalt skapat elektriskt fält på ytan av en nanotråd bestående av material med olika egenskaper.