Проникая через тонкий слой материала, сильно заряженные ионы испускают много электронов, на которые влияет распределение оставшихся электронов в материале. Предоставлено: Венский технологический университет.

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 высокоэнергетическими ионами, а также в полупроводниковой технике, когда полупроводники бомбардируются ионами для создания крошечных структур.

Результат ионного воздействия на материал легко изучить ретроспективно. Однако понять временную последовательность таких процессов сложно. Исследовательской группе Венского технического университета удалось проанализировать в масштабе одной фемтосекунды, 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 были опубликованы в журнале Physical Review Letters и были выбраны в качестве предложения редакции.

Исследовательская группа профессора Ричарда Вильгельма в Институте прикладной физики Венского технического университета работает с высокозаряженными ионами. Атомы ксенона, имеющие 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 текущей статьи. «Это потому, что из предыдущих экспериментов мы уже знали, что графен обладает очень интересными свойствами. Электронный перенос в графене чрезвычайно быстр».

Частицы реагируют так быстро, что непосредственно наблюдать за процессами невозможно. Но есть специальные приемы, которые можно использовать: «Во время таких процессов обычно также высвобождается 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 понять, что происходит в фемтосекундном масштабе».

Фемтосекундное путешествие сквозь графен

Сначала высокозаряженный ион приближается к тонкому слою материала. Благодаря своему положительному заряду он генерирует электрическое поле и таким образом влияет 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 испускаются электроны.

Если в материале отсутствуют электроны, положительный заряд остается. Однако это быстро компенсируется электронами, поступающими из других областей материала. В графене этот процесс очень быстрый; в материале за короткое время образуются сильные токи атомарного масштаба. В дисульфиде молибдена этот процесс протекает несколько медленнее. В обоих случаях, однако, распределение электронов в материале, в свою очередь, влияет на электроны, которые уже были выпущены из материала, и по этой причине, если их тщательно обнаружить, эти испущенные электроны дают информацию о временной структуре удара. . Только быстрые электроны могут покинуть материал, более медленные электроны разворачиваются, снова захватываются и не попадают в детектор электронов.

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