Результат воздействия ионов на материал легко изучить ретроспективно. Однако трудно понять временную последовательность таких процессов. Исследовательской группе из TU Wien теперь удалось проанализировать в масштабе времени в одну фемтосекунду, 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: они могут быть использованы для восстановления временной последовательности процессов - в некотором смысле измерение становится "замедленной съемкой электронов". Результаты теперь опубликованы в "Письма с физическим обзором" и даже были выбраны в качестве "Предложения редакции".

От двадцати до сорока раз заряженных частиц

Профессор Исследовательская группа Ричарда Вильгельма из Института прикладной физики Венского университета работает с высокозаряженными ионами. Атомы ксенона, которые имеют 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 графен, который состоит всего из одного слоя атомов углерода", - говорит Анна Ниггас, первый автор настоящей статьи. "Это потому, что мы уже знали из предыдущих экспериментов, что графен обладает очень интересными свойствами. Перенос электронов в графене происходит чрезвычайно быстро."

Частицы реагируют так быстро, что невозможно наблюдать за процессами непосредственно. 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, представленными нашими соавторами из Кильского университета, и это позволило нам разгадать, что происходит в фемтосекундном масштабе".

Фемтосекундное путешествие через графен

Во-первых, сильно заряженный ион приближается к тонкому слою материала. Благодаря своему положительному заряду он генерирует электрическое поле и, таким образом, воздействует 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 высокозаряженным ионом. Сразу же после этого ион ударяется о поверхность и проникает в материал. Это приводит к сложному взаимодействию; ион за короткое время передает материалу много энергии и испускает электроны.

Если в материале отсутствуют электроны, положительный заряд остается. Однако это быстро компенсируется электронами, поступающими из других областей материала. В графене этот процесс протекает чрезвычайно быстро; внутри материала за короткое время образуются сильные токи в атомном масштабе. В дисульфиде молибдена этот процесс протекает несколько медленнее. Однако в обоих случаях распределение электронов в материале, в свою очередь, влияет на электроны, которые уже были выпущены из материала - и по этой причине, если они тщательно обнаружены, эти испущенные электроны предоставляют информацию о временной структуре удара. Только быстрые электроны могут покидать материал, более медленные электроны поворачиваются, снова захватываются и не попадают в электронный детектор.

Иону требуется всего около одной фемтосекунды, чтобы проникнуть через слой графена. Процессы в таких коротких временных масштабах ранее можно было измерять с помощью ультракоротких лазерных импульсов, но в этом случае они выделили бы много энергии в материале и полностью изменили бы процесс. "С помощью нашего метода мы нашли подход, который позволяет получить совершенно фундаментальные новые идеи", - говорит Ричард Вильгельм, руководитель проекта FWF START в TU Wien. "Полученные результаты помогают нам понять, как вещество реагирует на очень короткое и очень интенсивное облучение - не только ионами, но, в конечном счете, и электронами или светом".