Лазер позволил впервые запечатлеть прыжки электронов через запрещённую зону

Серия "снимков" изменений энергии электрона в кристалле кремния. Когда электрон находится в связанном состоянии, его положение показано красным цветом, при переходе в зону проводимости (через 450 ас) – оранжевым и жёлтым
(иллюстрация UC Berkeley).

Группа физиков и химиков из Германии, Японии и США провела уникальный эксперимент по съёмке процесса перехода электронов в кристалле в возбуждённое состояние и постоянные движения этих частиц в проводнике.

Для этого учёные использовали современную лазерную установку — так называемый аттосекундный лазер, способный испускать импульсы рентгеновского излучения длительностью всего в несколько миллиардных долей миллиардной доли секунды.

Целью исследования было проследить за выходом электрона из атомной оболочки и его дальнейшими передвижениями, а также сменой его энергетического состояния. Ведь движения электронов в проводнике являются самым важным процессом в современной электронике.

"Теперь мы увидели всё в подробностях. В ходе нашего эксперимента были получены отдельные снимки, которые можно объединить в единую видеозапись, демонстрирующие "прыжок" электрона из атомной оболочки кремния через запрещённую энергетическую зону прямо в зону электропроводимости. Оказывается, этот процесс занимает 450 аттосекунд", — рассказывает Стивен Леоне (Stephen Leone), профессор химии и физики из университета Калифорнии в Беркли.

Как поясняет Леоне, в своей работе его команда учёных обратилась к особенному свойству света придавать некоторым материалам электропроводимость. В полупроводниковых материалах электроны изначально локализованы вокруг отдельных атомов, образующих кристалл, и потому не могут двигаться или создавать электрический ток. Однако когда свет падает на материал или же ему сообщается напряжение, то некоторые электроны поглощают "лишнюю" энергию и переходят в возбуждённое состояние.

В возбуждённом состоянии электроны приобретают способность передвигаться по материалу. Таким образом, локализированные когда-то электроны совершают "квантовый скачок" в зону проводимости, туннелируя через барьер, который удерживает частицы внутри атомной оболочки.

Проверка вакуумных камер аттосекундного лазера перед проведением эксперимента (фото UC Berkeley/Robert Sanders).

"Подвижные электроны, появляющиеся после освещения материала лазером, превращают полупроводник в проводник, при сообщении напряжения которому генерируется электрический ток. Эта особенность позволяет инженерам создавать кремниевые переключатели, известные как транзисторы, которые стали основой всей цифровой электроники", — поясняет Леоне в пресс-релизе.

В качестве секундомера в эксперименте использовалась установка аттосекундной XUV-спектроскопии, которая отслеживала переходы электронов. На кристалл кремния направляли ультракороткие вспышки видимого света, испускаемого лазером. Затем по кристаллу начали "стрелять" пучками рентгеновского излучения длительностью всего в 10-18 аттосекунд, и именно это позволило физикам сделать снимки перехода электронов в возбуждённое состояние.

Расшифровкой данных занимались исследователи из университета Цукуба в Японии, где для анализа полученных "фотографий" учёные использовали суперкомпьютер. По завершении исследования физикам удалось подтвердить основную теорию о том, как протекает процесс движений электрона в кремниевом кристалле.

Серия "снимков" изменений энергии электрона в кристалле кремния. Когда электрон находится в связанном состоянии, его положение показано красным цветом, при переходе в зону проводимости (через 450 ас) – оранжевым и жёлтым (иллюстрация UC Berkeley).

Этот процесс состоит из двух этапов. Сначала при направлении света на материал электроны поглощают фотоны (частицы света) и переходят в возбуждённое состояние. Затем же решётка, состоящая из отдельных атомов в кристалле, перераспределяет электроны в качестве реакции на произошедшее событие. В результате всего этого часть поглощённой энергии трансформируется в тепло, которое уносят фононы, или колебания атомов в решётке.

Учёные смогли не только проследить за каждым из этих этапов воочию, но и понять, сколько времени занимает каждое микрособытие, в каких пространственных масштабах они происходят. Так, выяснилось, что переход от первого этапа ко второму занимает 60 фемтосекунд, а атомная решётка колеблется в пределах 6 пикометров (10-12 м) после поглощения света электронами.

По словам Леоне, новые данные упростят дальнейшие фундаментальные исследования в области физики. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Сегодня