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.
«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.
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.
