Rallentatore elettronico: fisica ionica alla scala dei femtosecondi

22 agosto 2022

dall'Università della Tecnologia di Vienna

Come reagiscono i diversi materiali all'impatto degli ioni? Questa è una domanda che gioca un ruolo importante in molti settori della ricerca, ad esempio nella ricerca sulla fusione nucleare, quando le pareti del reattore a fusione sono bombardate da ioni ad alta energia, ma anche nella tecnologia dei semiconduttori, quando i semiconduttori sono bombardati da ioni travi per produrre minuscole strutture.

Il risultato di un impatto ionico su un materiale è facile da studiare in modo retrospettivo. Tuttavia, è difficile comprendere la sequenza temporale di tali processi. Un gruppo di ricerca della TU Wien è ora riuscito ad analizzare su una scala temporale di un femtosecondo cosa succede alle singole particelle coinvolte quando uno ione penetra materiali come il grafene o il bisolfuro di molibdeno. Fondamentale è stata un'analisi attenta degli elettroni emessi nel processo: con essi è possibile ricostruire la sequenza temporale dei processi; la misurazione diventa in un certo senso un "movimento elettronico al rallentatore". I risultati sono stati ora pubblicati in Physical Review Letters e sono stati selezionati come suggerimento dell'editore.

Il gruppo di ricerca del Prof. Richard Wilhelm presso l'Istituto di fisica applicata della TU Vienna lavora con ioni altamente carichi. Gli atomi di xeno, che hanno 54 elettroni nel loro stato neutro, vengono privati ​​di 20-40 elettroni e gli ioni xeno fortemente caricati positivamente che rimangono vengono quindi diretti su un sottile strato di materiale.

"Siamo particolarmente interessati all'interazione di questi ioni con il materiale grafene, che consiste di un solo strato di atomi di carbonio", afferma Anna Niggas, prima autrice del presente articolo. "Questo perché sapevamo già da esperimenti precedenti che il grafene ha proprietà molto interessanti. Il trasporto degli elettroni nel grafene è estremamente veloce."

Le particelle reagiscono così rapidamente che non è possibile osservare direttamente i processi. Ma si possono usare degli stratagemmi speciali: "Durante questi processi di solito viene rilasciata anche una grande quantità di elettroni", spiega Anna Niggas. "Siamo stati in grado di misurare il numero e l'energia di questi elettroni in modo molto preciso, confrontare i risultati con i calcoli teorici forniti dai nostri coautori dell'Università di Kiel, e questo ci ha permesso di svelare ciò che accade su scala di femtosecondi."

Innanzitutto, lo ione altamente carico si avvicina al sottile strato di materiale. Grazie alla sua carica positiva genera un campo elettrico e quindi influenza gli elettroni del materiale: già prima dell'impatto gli elettroni del materiale si muovono in direzione del punto dell'impatto. Ad un certo punto, il campo elettrico diventa così forte che gli elettroni vengono strappati dal materiale e catturati dallo ione altamente carico. Subito dopo, lo ione colpisce la superficie e penetra nel materiale. Ciò si traduce in un'interazione complessa; lo ione trasferisce molta energia al materiale in breve tempo e vengono emessi elettroni.

Se nel materiale mancano gli elettroni, rimane la carica positiva. Tuttavia, questo viene rapidamente compensato dagli elettroni che entrano da altre aree del materiale. Nel grafene questo processo è estremamente veloce; all'interno del materiale si formano forti correnti su scala atomica per un breve periodo. Nel bisolfuro di molibdeno, questo processo è leggermente più lento. In entrambi i casi, però, la distribuzione degli elettroni nel materiale influenza a sua volta gli elettroni già rilasciati dal materiale e per questo motivo, se rilevati con attenzione, questi elettroni emessi forniscono informazioni sulla struttura temporale dell'impatto. . Solo gli elettroni veloci possono lasciare il materiale, gli elettroni più lenti girano su se stessi, vengono catturati e non finiscono nel rilevatore di elettroni.

Lo ione impiega solo circa un femtosecondo per penetrare in uno strato di grafene. Processi su scale temporali così brevi potevano in precedenza essere misurati con impulsi laser ultracorti, ma in questo caso depositerebbero molta energia nel materiale e cambierebbero completamente il processo. "Con il nostro metodo abbiamo trovato un approccio che consente nuove intuizioni fondamentali", afferma Richard Wilhelm, responsabile del progetto FWF START presso la TU Wien. "I risultati ci aiutano a capire come la materia reagisce all'esposizione a radiazioni molto brevi e molto intense, non solo agli ioni, ma in definitiva anche agli elettroni o alla luce."