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.

Рис. 1. В кремнии электроны вырываются из атомного «плена» благодаря световым импульсам.

«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.

Рис. 2. Диаграмма, характеризующая состояние электрона. Здесь красным отмечены области, отвечающие связанному состоянию электрона в атоме, а желтым и зеленым – состоянию электрона в зоне проводимости.

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) секунд, и именно это позволило физикам сделать снимки перехода электронов в возбуждённое состояние.

Рис. 3. Проверка аттосекундного лазера перед началом работы.

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.