Slowmotion elektroner:Ionfysik på femtosekundsskalaen

Hvordan reagerer forskellige materialer på påvirkningen af ​​ioner? Dette er et spørgsmål, der spiller en vigtig rolle inden for mange forskningsområder - for eksempel inden for kernefusionsforskning, når fusionsreaktorens vægge bombarderes af højenergi-ioner, men også inden for halvlederteknologi, når halvledere bombarderes med ion bjælker til at producere små strukturer.

Resultatet af en ionpåvirkning på et materiale er let at studere retrospektivt. Det er imidlertid svært at forstå den tidsmæssige rækkefølge af sådanne processer. Det er nu lykkedes for en forskergruppe ved TU Wien på en tidsskala på et femtosekund at analysere, hvad der sker med de enkelte involverede partikler, når en ion trænger ind i materialer som grafen eller molybdændisulfid. En omhyggelig analyse af de elektroner, der udsendes i processen, var afgørende:De kan bruges til at rekonstruere den tidsmæssige sekvens af processerne - på en måde bliver målingen en "elektron slowmotion". Resultaterne er nu blevet offentliggjort i Physical Review Letters og blev udvalgt som et redaktørforslag.

Prof. Richard Wilhelms forskningsgruppe ved Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien arbejder med højt ladede ioner. Xenonatomer, som har 54 elektroner i deres neutrale tilstand, strippes for 20 til 40 elektroner, og de stærkt positivt ladede xenonioner, der er tilbage, ledes derefter mod et tyndt lag materiale.

"Vi er særligt interesserede i disse ioners interaktion med materialet grafen, som kun består af et enkelt lag af kulstofatomer," siger Anna Niggas, førsteforfatter til det aktuelle papir. "Det skyldes, at vi allerede fra tidligere eksperimenter vidste, at grafen har meget interessante egenskaber. Elektrontransport i grafen er ekstremt hurtig."

Partiklerne reagerer så hurtigt, at det ikke er muligt at observere processerne direkte. Men der er specielle tricks, der kan bruges:"Under sådanne processer frigives der normalt også et stort antal elektroner," forklarer Anna Niggas. "Vi var i stand til at måle antallet og energien af ​​disse elektroner meget præcist, sammenligne resultaterne med teoretiske beregninger bidraget af vores medforfattere fra Kiel University, og dette gjorde det muligt for os at optrevle, hvad der sker på en femtosekund skala."

Femtosekunds rejse gennem grafen

For det første nærmer den højt ladede ion sig det tynde lag af materiale. På grund af sin positive ladning genererer den et elektrisk felt og påvirker dermed materialets elektroner - allerede før sammenstødet bevæger materialets elektroner sig i retning af stødstedet. På et tidspunkt bliver det elektriske felt så stærkt, at elektroner rives ud af materialet og fanges af den højt ladede ion. Umiddelbart derefter rammer ionen så overfladen og trænger ind i materialet. Dette resulterer i en kompleks interaktion; ionen overfører meget energi til materialet på kort tid, og der udsendes elektroner.

Hvis elektroner mangler i materialet, forbliver positiv ladning. Dette kompenseres dog hurtigt for af elektroner, der bevæger sig ind fra andre områder af materialet. I grafen er denne proces ekstremt hurtig; der dannes stærke strømme i materialet på atomær skala i kort tid. I molybdændisulfid er denne proces noget langsommere. I begge tilfælde påvirker fordelingen af ​​elektroner i materialet igen de elektroner, der allerede er frigivet fra materialet - og af denne grund, hvis de omhyggeligt detekteres, giver disse udsendte elektroner information om den tidsmæssige struktur af nedslaget . Kun hurtige elektroner kan forlade materialet, langsommere elektroner vender rundt, bliver genfanget og ender ikke i elektrondetektoren.

Ionen behøver kun omkring et femtosekund for at trænge ind i et grafenlag. Processer på så korte tidsskalaer kunne tidligere måles med ultrakorte laserimpulser - men i dette tilfælde ville de afsætte en masse energi i materialet og fuldstændig ændre processen. "Med vores metode har vi fundet en tilgang, der tillader helt grundlæggende ny indsigt," siger Richard Wilhelm, leder af et FWF START-projekt på TU Wien. "Resultaterne hjælper os med at forstå, hvordan stof reagerer på meget kort og meget intens strålingseksponering - ikke kun til ioner, men i sidste ende også på elektroner eller lys." + Udforsk yderligere

Hvordan ioner får deres elektroner tilbage