Замедленное движение электрона: физика ионов в фемтосекундном масштабе

22 августа 2022 г.

Венского технологического университета

Как различные материалы реагируют на воздействие ионов? Этот вопрос играет важную роль во многих областях исследований — например, в исследованиях ядерного синтеза, когда стенки термоядерного реактора бомбардируются ионами высокой энергии, а также в полупроводниковой технологии, когда полупроводники бомбардируются ионами. балки для создания крошечных структур.

Результат ионного воздействия на материал легко изучить ретроспективно. Однако трудно понять временную последовательность таких процессов. Исследовательской группе из Венского технического университета теперь удалось проанализировать в масштабе времени в одну фемтосекунду, что происходит с отдельными частицами, когда ион проникает в такие материалы, как графен или дисульфид молибдена. Тщательный анализ электронов, испускаемых в процессе, имел решающее значение: их можно использовать для восстановления временной последовательности процессов — в некотором смысле, измерение становится «электронным замедленным движением». Результаты теперь опубликованы в журнале Physical Review Letters и выбраны в качестве предложения редакции.

Исследовательская группа профессора Рихарда Вильгельма в Институте прикладной физики Венского технического университета работает с высокозаряженными ионами. Атомы ксенона, которые имеют 54 электрона в нейтральном состоянии, лишаются от 20 до 40 электронов, а оставшиеся сильно положительно заряженные ионы ксенона затем направляются на тонкий слой материала.

«Нас особенно интересует взаимодействие этих ионов с материалом графеном, который состоит только из одного слоя атомов углерода», — говорит Анна Ниггас, первый автор настоящей статьи. «Это потому, что из предыдущих экспериментов мы уже знали, что графен обладает очень интересными свойствами. Транспорт электронов в графене чрезвычайно быстрый».

Частицы реагируют настолько быстро, что непосредственно наблюдать за процессами невозможно. Но есть особые приемы, которые можно использовать: «Во время таких процессов обычно высвобождается также большое количество электронов», — объясняет Анна Ниггас. «Мы смогли очень точно измерить количество и энергию этих электронов, сравнить результаты с теоретическими расчетами, предоставленными нашими соавторами из Кильского университета, и это позволило нам разгадать, что происходит в фемтосекундном масштабе».

Сначала сильно заряженный ион приближается к тонкому слою материала. Благодаря своему положительному заряду он создает электрическое поле и таким образом воздействует на электроны материала — уже перед ударом электроны материала движутся в направлении места удара. В какой-то момент электрическое поле становится настолько сильным, что электроны вырываются из материала и захватываются сильно заряженным ионом. Сразу после этого ион попадает на поверхность и проникает в материал. Это приводит к сложному взаимодействию; ион передает много энергии материалу за короткое время, и электроны испускаются.

Если в материале отсутствуют электроны, положительный заряд остается. Однако это быстро компенсируется движением электронов из других областей материала. В графене этот процесс происходит чрезвычайно быстро; внутри материала на короткое время образуются сильные токи атомного масштаба. В дисульфиде молибдена этот процесс протекает несколько медленнее. Однако в обоих случаях распределение электронов в материале, в свою очередь, влияет на электроны, уже выпущенные из материала, и по этой причине, если они тщательно обнаружены, эти испущенные электроны дают информацию о временной структуре удара. . Только быстрые электроны могут покинуть материал, более медленные электроны разворачиваются, перезахватываются и не попадают в детектор электронов.

Иону требуется всего около одной фемтосекунды, чтобы проникнуть в слой графена. Процессы в таких коротких временных масштабах раньше можно было измерить с помощью ультракоротких лазерных импульсов, но в этом случае они вложили бы в материал много энергии и полностью изменили бы процесс. «С помощью нашего метода мы нашли подход, который позволяет получить весьма фундаментальные новые идеи», — говорит Рихард Вильгельм, руководитель проекта FWF START в Венском техническом университете. «Результаты помогают нам понять, как материя реагирует на очень короткое и очень интенсивное радиационное воздействие — не только на ионы, но, в конечном итоге, также на электроны или свет».