Експеримент показа как електроните прескачат през забранена зона

Екип физици и химици от Германия, Япония и САЩ проведоха уникален експеримент по заснемане на процеса на прехода на електрони в кристал във възбудено състояние и постоянното движение на тези частици в проводник.

За тази цел учените използвали съвременна лазерна инсталация – т.нар. атосекунден лазер, способен да изпуска импулси в рентгеновото лъчение с продължителност само няколко милиардни от милиардната на секундата.

Целта на изследването била да се проследи излизането на електрона от атомната обвивка и бъдещото му придвижване, а също смяната на енергийното му състояние. Движението на електроните в проводник е най-важният процес в съвременната електроника.

„Сега видяхме всичко в подробности. В хода на нашия експеримент бяха получени отделни снимки, които може да се обединят в един видеозапис, демонстриращи „скока“ на електрона от атомната обвивка на силиций през забранената енергийна зона директно в зоната на електропроводимост. Оказва се, че този процес отнема 450 атосекунди“, разказва Стивън Леоне, професор по химия и физика от Калифорнийския университет в Бъркли.

Серия „снимки“ на измененията на енергията на електрона в силициев кристал. Когато електронът се намира в свързано състояние, неговото положение е показано с червен цвят, при преход в зоната на проводимост (след 450 атосекунди) – с оранжево и жълто.
© UC Berkeley

Както пояснява Леоне, в работа си екипът му се обърнал към особено свойство на светлината да придава на някои материали електропроводимост.

В полупроводникови материали електроните първоначално са локализирани около отделни атоми, образуващи кристал, и затова не могат да се движат или създават електричество.

Но когато светлина попадне върху материала, то някои електрони поглъщат „излишната“ енергия и преминават във възбудено състояние.

Във възбудено състояние електроните придобиват способност да се придвижват по материала. По такъв начин локализираните някога електрони извършват „квантов скок“ в зоната на проводимост, тунелирайки през бариерата, която задържа частиците в атомната обвивка.

„Подвижните електрони, появяващи се след осветяване на материала с лазер, превръщат полупроводника в проводник, при съобщението за напрежение в който се генерира електричество. Тази особеност позволява на инженерите да създадат силициеви превключватели, известни като транзистори, които са станали основа на цялата цифрова електроника“, пояснява Леоне.

В качеството на секундомер в експеримента е използвана атосекундна XUV спектроскопия, която проследявала преходите на електроните. Към силициев кристал били насочени ултракратки импулси видима светлина, изпускана от лазера. След това започнали да „стрелят“ по кристала с рентгенови лъчи с продължителност 10-18 атосекунди и именно това позволило на физиците да направят снимки на прехода на електроните във възбудено състояние.

Разшифроването на данните е извършено от изследователите от университета на Цукуба, Япония, където за анализ на получените „снимки“ учените използвали суперкомпютър. След приключването на изследванията физиците успели да потвърдят основната теория за това, как протича процесът на движение на електрона в силициев кристал.

Този процес се състои от два етапа. Отначало при насочване на светлина върху материала електроните поглъщат фотони (частици светлина) и преминават във възбудено състояние. След това решетката, състояща се от отделни атоми в кристала, преразпределя електроните в отговор на събитието.

В резултат на всичко това част от погълнатата енергия се трансформира в топлина, която носят фононите, или колебанията на атомите в решетката.

Учените са успели не само да проследят всеки от тези етапи поотделно, но и да разберат колко време отнема всяко микросъбитие, в какви пространствени мащаби протичат те.

Така станало ясно, че преминаването от първия към втория етап отнема 60 фемтосекунди, а атомната решетка се колебае в пределите на 6 пикометра (10^-12 м) след поглъщането на светлината от електроните.

Според Леоне новите данни ще опростят бъдещи фундаментални изследвания в областта на физиката. Резултатите на учените са публикувани в сп. Science.