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

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).

В полупроводнике кремнии электроны вырываются из "плена" атомной оболочки благодаря световым импульсам

В полупроводнике кремнии электроны вырываются из "плена" атомной оболочки благодаря световым импульсам
(иллюстрация Stephen Leone).

Проверка вакуумных камер аттосекундного лазера перед проведением эксперимента

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

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
В полупроводнике кремнии электроны вырываются из "плена" атомной оболочки благодаря световым импульсам
Проверка вакуумных камер аттосекундного лазера перед проведением эксперимента

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.