Câmera lenta de elétrons: física de íons na escala de femtossegundos

22 de agosto de 2022

pela Universidade de Tecnologia de Viena

Como diferentes materiais reagem ao impacto de íons? Esta é uma questão que desempenha um papel importante em muitas áreas de pesquisa - por exemplo, na pesquisa de fusão nuclear, quando as paredes do reator de fusão são bombardeadas por íons de alta energia, mas também na tecnologia de semicondutores, quando os semicondutores são bombardeados com íons. vigas para produzir estruturas minúsculas.

O resultado do impacto de um íon em um material é fácil de estudar retrospectivamente. No entanto, é difícil entender a sequência temporal de tais processos. Um grupo de pesquisa da TU Wien conseguiu analisar em uma escala de tempo de um femtossegundo o que acontece com as partículas individuais envolvidas quando um íon penetra em materiais como grafeno ou dissulfeto de molibdênio. Uma análise cuidadosa dos elétrons emitidos no processo foi crucial: eles podem ser usados ​​para reconstruir a sequência temporal dos processos - de certa forma, a medição se torna uma "câmera lenta de elétrons". Os resultados foram agora publicados na Physical Review Letters e foram selecionados como uma sugestão dos editores.

O grupo de pesquisa do Prof. Richard Wilhelm no Instituto de Física Aplicada da TU Wien trabalha com íons altamente carregados. Átomos de xenônio, que têm 54 elétrons em seu estado neutro, são despojados de 20 a 40 elétrons, e os íons de xenônio fortemente carregados positivamente que permanecem são então direcionados para uma fina camada de material.

“Estamos particularmente interessados ​​na interação desses íons com o material grafeno, que consiste em apenas uma única camada de átomos de carbono”, diz Anna Niggas, primeira autora do artigo atual. "Isso ocorre porque já sabíamos de experimentos anteriores que o grafeno tem propriedades muito interessantes. O transporte de elétrons no grafeno é extremamente rápido."

As partículas reagem tão rapidamente que não é possível observar os processos diretamente. Mas existem truques especiais que podem ser usados: "Durante esses processos, geralmente também é liberado um grande número de elétrons", explica Anna Niggas. “Conseguimos medir o número e a energia desses elétrons com muita precisão, comparar os resultados com cálculos teóricos fornecidos por nossos coautores da Universidade de Kiel, e isso nos permitiu desvendar o que acontece em uma escala de femtossegundos”.

Primeiro, o íon altamente carregado se aproxima da fina camada de material. Por sua carga positiva, ele gera um campo elétrico e assim influencia os elétrons do material – já antes do impacto, os elétrons do material se movem na direção do local do impacto. Em algum momento, o campo elétrico se torna tão forte que os elétrons são arrancados do material e capturados pelo íon altamente carregado. Imediatamente depois, o íon atinge a superfície e penetra no material. Isso resulta em uma interação complexa; o íon transfere muita energia para o material em um curto espaço de tempo e elétrons são emitidos.

Se faltarem elétrons no material, a carga positiva permanece. No entanto, isso é rapidamente compensado por elétrons que se movem de outras áreas do material. No grafeno, esse processo é extremamente rápido; correntes fortes se formam dentro do material em escala atômica por um curto período de tempo. No dissulfeto de molibdênio, esse processo é um pouco mais lento. Em ambos os casos, no entanto, a distribuição de elétrons no material, por sua vez, influencia os elétrons que já foram liberados do material – e por isso, se detectados com cuidado, esses elétrons emitidos fornecem informações sobre a estrutura temporal do impacto. . Apenas os elétrons rápidos podem deixar o material, os elétrons mais lentos giram, são recapturados e não acabam no detector de elétrons.

O íon precisa de apenas cerca de um femtosegundo para penetrar na camada de grafeno. Anteriormente, processos em escalas de tempo tão curtas podiam ser medidos com pulsos de laser ultracurtos, mas, neste caso, eles depositariam muita energia no material e mudariam completamente o processo. "Com nosso método, encontramos uma abordagem que permite novos insights bastante fundamentais", diz Richard Wilhelm, chefe de um projeto FWF START na TU Wien. “Os resultados nos ajudam a entender como a matéria reage à exposição à radiação muito curta e muito intensa – não apenas a íons, mas também a elétrons ou luz”.