Ultrarychlé procesy v pevných látkách

Výzkum a vývoj nových polovodičových materiálů a jejich nanostruktur se v současné době neobejde bez podrobných znalostí procesů, které se v nich odehrávají na pikosekudových a femtosekundových časových škálách. Jedná se například o excitaci nosičů náboje, relaxační a rekombinační procesy. Takto rychlé děje je možné zkoumat pouze pomocí speciálních metod, jejichž základem jsou ultrakrátké laserové pulzy generované femtosekundovými laserovými systémy dostupnými v našich laboratořích (laboratoř ultrakrátkých laserových pulzů a vysokoenergetická femtosekundová laserová laboratoř). V současnosti se zabýváme výzkumem ultrarychlých dějů v polovodičích (např. diamant) a v polovodičových nanostrukturách (křemíkové nanokrystaly, nanodiamant, atd.). Zkoumáme je metodami časově rozlišené spektroskopie (časově rozlišená luminiscence, časově rozlišená propustnost a odrazivost, indukovaná mřížka, aj.).

V současné době je rychlost klasické elektroniky omezena maximální frekvencí, na níž je možné kontrolovat makroskopické nábojové proudy v materiálech. Existují ovšem fyzikální procesy odehrávající se na mnohem kratších časových škálách, které by v budoucnu mohly sloužit ke zvýšení rychlosti zpracování a přenosu informace. Tyto procesy zkoumáme pomocí ultrakrátkých laserových pulzů dosahující amplitud pole srovnatelných s polem, které působí mezi atomy v pevných látkách. Díky tomu, že elektromagnetické pole pulzů a jeho fázi je možné kontrolovat s přesností několika desítek attosekund (1 as = 10^-18 s), dovoluje nám tato technologie ovlivňovat a studovat koherentní dynamiku elektronů v pevných látkách a nanostrukturách, kterou je možné pozorovat pomocí spektroskopie vysokých harmonických frekvencí ve viditelné a ultrafialové oblasti spektra v  laboratoři ultrakrátkých laserových pulzů.

Přirozenými časovými a prostorovými škálami, na kterých se odehrává dynamika elektronů v atomech, molekulách a pevných látkách, jsou attosekundy (1 as=10^-18 s) a nanometry (1 nm=10^-9 m). V časové oblasti je možné dosáhnout attosekundového časového rozlišení pomocí ultrakrátkých optických pulzů se stabilizovanou fází, které mají periodu oscilací elektromagnetického pole v oblasti jednotek femtosekund. Optické záření ovšem díky své vlnové délce odpovídající několika stovkám nanometrů nedovoluje dosáhnout dostatečného prostorového rozlišení umožňujícího přímé zobrazování elektronů a atomů v látkách. Za tímto účelem byla vyvinuta elektronová mikroskopie využívající svazku elektronů urychlených na vysokou energii, jejichž de Broglieho vlnová délka je v oblasti pikometrů. V naší laboratoři kombinujeme výhody obou přístupů v tzv. ultrarychlé elektronové mikroskopii, kdy pomocí krátkých laserových pulzů vytváříme v elektronovém mikroskopu pulzy elektronů o délce několika stovek femtosekund, které slouží k sejmutí obrázku studovaného vzorku krátce po excitaci druhým světelným pulzem. Věnujeme se také základnímu výzkumu interakce světla s elektrony zprostředkované jednak tzv. ponderomotorickou silou generovanou optickými vlnami ve vakuu, a také optickými blízkými poli nanostruktur.

Toto téma bylo v nedávné době podpořeno Evropskou radou pro výzkum, která financuje ERC Starting Grant eWaveShaper. V rámci tohoto projektu se v nově vybudované laboratoři ultrarychlé elektronové mikroskopie věnujeme výzkumu možností tvarování vlnové funkce elektronů pomocí světla, přenosu optické koherence modulovaným elektronovým svazkem a elektronové holografie v  časové oblasti.