Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Fabryka Prądu
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Attosekundowy laser nagrywa elektrony skaczące przez przerwę energetyczną

ghost666 23 Gru 2014 16:37 3648 5
  • Attosekundowy laser nagrywa elektrony skaczące przez przerwę energetycznąCały przemysł półprzewodnikowy, wliczając w to całą Dolinę Krzemową, zbudowany jest na unikalnej własności krzemu, dzięki której elektrony jego atomów mogą zostać wyniesione poza powłoki walencyjne i stać się wolnymi. Te wolne elektrony wykorzystane mogą zostać do przewodzenia prądu elektrycznego i informacji.

    Międzynarodowy zespół fizyków i chemików, pracujący w Berkeley na Uniwersytecie stanu Kalifornia po raz pierwszy próbowali wykonać obraz tego bardzo efemerycznego zjawiska. Wykorzystali do tego trwające attosekundy impulsy światła Roentgenowskiego - impulsy trwające zaledwie jedną miliardową, jednej miliardowej sekundy.

    Starsza generacja impulsowych źródeł światła - lasery femtosekundowe - nie były w stanie osiągnąć dostatecznej rozdzielczości temporalnej, aby pokazać precyzyjnie zjawisko przejścia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa krzemu. Nowy eksperyment pokazuje, iż przejście to zajmuje nie więcej niż 450 attosekund.

    "Jakkolwiek ten skok wzbudzenia był zbyt szybki dla tradycyjnych eksperymentów, nasza nowa technika pozwala na uchwycenie tego zjawiska na tyle szybko, iż możliwe jest zestawienie >>filmiku<< pokazującego sekwencję kroków elektronu w tym procesie" - tłumaczy profesor Stephen Leone z UC Berkeley.

    Profesor Leone wraz z współpracownikami z UC Berkeley, LMU w Monachium w Niemczech, Uniwersytetu z Tsukuby w Japonii oraz z Molecular Foundry w Narodowym Laboratorium Berkeley, opisuje swoje osiągnięcie w wydanym 12 grudnia numerze prestiżowego czasopisma Science. Artykuł dostępny jest tutaj http://www.sciencemag.org/content/346/6215/1348 .

    Znany od wieku efekt zaobserwowany po raz pierwszy

    Leone zauważa, iż minęło ponad sto lat od odkrycia faktu, iż światło może uczynić niektóre materiały przewodzącymi. Po raz pierwszy udało się zobrazować ten efekt w postaci 'filmu' dzięki wykorzystaniu attosekundowej spektroskopii wykorzystującej skrajny ultrafiolet (XUV). Technika ta została opracowana w Laboratorium Fizyki Attosekundowej, mieszczącym się na UC Berkeley, kierowanego przez profesora Leone i profesora Daniela Neumarka.

    W materiałach półprzewodnikowych elektrony zlokalizowane są wokół atomów formujących kryształ i nie są w stanie poruszać się po całym obiekcie ani nie umożliwiają przepływu prądy elektrycznego przez kryształ. Gdy światło pada na tego rodzaju materiały (albo przykłada się do nich jakieś napięcie), niektóre z elektronów absorbują dostarczoną energię i zostają wzbudzone do tego stopnia, iż przechodzą do stanu mobilnego (do pasma przewodnictwa - przyp. tłum.), co umożliwia im poruszanie się po całym krysztale. Zlokalizowane elektrony wykonują 'skok kwantowy' do pasma przewodnictwa, tunelując przez barierę, która normalnie ogranicza je w pasmie walencyjnym.

    Te mobilne elektrony z pasma przewodnictwa czynią półprzewodnik przewodzącym, gdy zostanie on oświetlony lub przyłożone doń jest napięcie. Dzięki temu z krzemu wytwarzać można tranzystory i w konsekwencji inne układy elektroniczne.

    Naukowcy wykorzystali attosekundową spektroskopię XUV jako stoper pozwalający na śledzenie przejść elektronów. Kryształ półprzewodnika (w tym przypadku krzemu) wystawiany był na ultrakrótkie impulsy światłą widzialnego, emitowanego przez laser. Następnie oświetlano kryształ impulsami attosekundowymi ze źródła promieniowania X. Impulsy te trwały kilkadziesiąt attosekund (10^-18 s), co pozwoliło naukowcom na badanie ewolucji rozchodzenia się procesu wzbudzenia wywołanego przez impuls lasera światła widzialnego.

    Aby otrzymać jednoznaczną interpretację danych uzyskanych z eksperymentu, wykonano szereg symulacji, przeprowadzonych na superkomputerach, znajdujących się w Tsukubie w Japonii oraz w Molecular Foundry w Berkeley. Symulacje modelowały proces wzbudzenia kryształu, a także następujące po tym interakcje pomiędzy impulsami promieniowania X a kryształem krzemu.

    Skok elektronu powoduje odbicie atomu

    Wzbudzenie półprzewodnika światłem jest tradycyjnie postrzegane jako proces składający się z dwóch rozdzielnych procesów. Najpierw elektron absorbuje światło i zostaje wzbudzony. Następnie matryca krystaliczna składająca się z poszczególnych atomów półprzewodnika, zmienia swoje ułożenie z uwagi na zmienioną dystrybucję elektronów, przez co część zaabsorbowanej energii zmieniana jest w ciepło, którego nośnikami są fonony - kwanty wibracji kryształu.

    Analizując dane pomiarowe naukowcy potwierdzili, iż powyższy model jest prawdziwy. Udało się wykazać, iż najpierw jedynie elektrony reagują na wzbudzenie padającym światłem. Długo po impulsie wzbudzenia - około 60 femtosekund później, obserwowany jest kolektywny ruch atomów, czyli generacja fononów. Jest to czas podobny z najkrótszym okresem wibracji sieci krystalicznej w krzemie, równym 64 fs.

    Opierając się o aktualnie znane teorie, naukowcy wyznaczyli, iż na skutek skoku elektronu matryca krystaliczna rusza się około 6 pikometrów (10^-12 m), co jest spójne z zaobserwowanymi efektami.

    "Otrzymane rezultaty są czystym przykładem zastosowania fizyki attosekundowej do badania skomplikowanych i kluczowych dla nauki systemów" - mówi Neumark. Niespotykana dotąd rozdzielczość temporalna technologii attosekundowej pozwoli naukowcom na badania ekstremalnie szybkich procesów elektronowych w ciałach stałych, które dotychczas wymykały się eksperymentom, jak mówi Martin Schultze, naukowiec z LMU pracujący w Berkeley przez ostatni rok. Technika ta jest kolejną możliwością badania i potwierdzania teorii oddziaływania światła z materią. Pozwoli to na badanie procesów wzbudzenia, ich prędkości i znacznie ułatwi interpretację wyników spektroskopii XUV w przyszłości.

    "Metoda ta ma także inne zalety", jak mówi Schultze."Z tak krótkimi impulsami wzbudzenia i próbkowania, atomy w krysztale są w zasadzie jak zamrożone w czasie, co znacznie ułatwia teoretyczne analizy tej sytuacji" - dodaje.

    Źródło:

    http://phys.org/news/2014-12-attosecond-laser-movie-fast-electrons.html#jCp

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9215 postów o ocenie 6769, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Fabryka Prądu
  • #2
    quniq
    Poziom 21  
    Wow. A ja się cieszę, że poganiam mikrokontroler na 70MHz :D

    Są gdzieś dostępne informacje na temat samej techniki fotografowania? To jest budowa lasera, jego wyzwalanie, w jaki sposób utrwalana jest informacja? Szalenie mnie to interesuje. Chyba znalazłem zajęcie na święta...
  • Fabryka Prądu
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    quniq napisał:
    Wow. A ja się cieszę, że poganiam mikrokontroler na 70MHz :D

    Są gdzieś dostępne informacje na temat samej techniki fotografowania? To jest budowa lasera, jego wyzwalanie, w jaki sposób utrwalana jest informacja? Szalenie mnie to interesuje. Chyba znalazłem zajęcie na święta...


    Całość opisana jest w nowym numerze Science - http://www.sciencemag.org/content/346/6215/1348 - niestety publikacja jest za paywallem, ale tutaj - http://bromine.cchem.berkeley.edu/grppub/atto23.pdf - jest jej kopia.
  • #4
    RedForce
    Poziom 23  
    100 eV to 12,34 nanometra, Długość 50-attosekundowego impulsu to ok. 1,5 nanometra... heh.
  • #5
    piotreks-89
    Poziom 12  
    @RedForce, coś chyba niefortunnie porównane wartości. [eV] - energia, [nm] - długość, coś tutaj nie pasuje :P
  • #6
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    piotreks-89 napisał:
    @RedForce, coś chyba niefortunnie porównane wartości. [eV] - energia, [nm] - długość, coś tutaj nie pasuje :P


    Elektonowolty to miara energii, nanometry to miara długości fali, a ta jest zależna od energii. To zupełnie na miejscu i wszystko pasuje.