Fysikere opdager ny effekt i samspillet mellem plasma og faste stoffer

Plasmaer-varme gasser bestående af kaotisk bevægelige elektroner, ioner, atomer og molekyler - omfatter stjernernes indre, men forskere kan oprette dem kunstigt ved hjælp af specielt udstyr i laboratoriet. Hvis et plasma kommer i kontakt med et fast stof, såsom væggen i laboratorieudstyret, under visse omstændigheder, væggen ændres fundamentalt og permanent:Atomer og molekyler fra plasmaet kan aflejres på det faste materiale, eller energiske plasmaioner kan slå atomer ud af det faste stof, og derved deformere eller endda ødelægge dens overflade. Et team fra Institute of Theoretical Physics and Astrophysics ved Kiel University (CAU) har nu opdaget en overraskende ny effekt, hvor de elektroniske egenskaber ved det faste materiale, såsom dets elektriske ledningsevne, kan ændres ved ionpåvirkning i en kontrolleret, ekstremt hurtig og reversibel måde. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

I mere end 50 år har forskere inden for plasmafysik og materialevidenskab har undersøgt processerne i grænsefladen mellem plasma og faste stoffer. Imidlertid, indtil for nylig er de processer, der forekommer inde i det faste stof, kun blevet beskrevet på en forenklet måde. Dermed, nøjagtige forudsigelser har ikke været mulige, og nye teknologiske applikationer findes normalt via forsøg og fejl.

Kiel-forskere har også undersøgt det plasma-faste interface i mange år, udvikle ny eksperimentel diagnostik, teoretiske modeller og teknologiske anvendelser. Men i deres nyligt offentliggjorte undersøgelse, forskergruppen ledet af professor Michael Bonitz opnåede et nyt niveau af simuleringsnøjagtighed. De undersøgte processerne i det faste stof med høj tidsopløsning og kunne i realtid observere, hvordan faste stoffer reagerer, når de bliver bombarderet med energiske plasmaioner.

For at beskrive disse ultrahurtige processer på en skala fra et par femtosekunder, en kvadrilliondel af et sekund, teamet anvendte præcision med mange partikler, kvantemekaniske simuleringsmetoder for første gang. "Det viste sig, at ionerne markant kan ophidse elektronerne i det faste stof. Som en konsekvens heraf, to elektroner kan indtage en enkelt gitterstilling, og derved danne en såkaldt doublon, "forklarede Bonitz. Denne effekt forekommer i visse nanostrukturer, for eksempel, i såkaldte grafen-nanoribbons. Disse er strimler lavet af et enkelt lag carbonatomer, som har mulige anvendelser inden for nanoelektronik på grund af deres unikke mekaniske og elektriske egenskaber, der inkluderer ekstremt høj fleksibilitet og ledningsevne. Gennem den kontrollerede produktion af sådanne doubloner, det kan blive muligt at ændre egenskaberne for sådanne nanoribbons på en kontrolleret måde.

"Ud over, vi var i stand til at forudsige, at denne effekt også kan observeres i optiske gitter i ultrakolde gasser, sagde Bonitz. resultaterne fra Kiel-forskerne er også af betydning, selv uden for grænserne for feltet plasma-fast interaktion. Nu, fysikerne leder efter de optimale betingelser, hvorunder effekten også kan verificeres eksperimentelt i plasmaer, der er skabt i laboratoriet.