Такие наноматериалы, как углерод, часто проявляют уникальные свойства, которые и способствуют их успешному применению в приборах современной электроники и чувствительных датчиках. Основу этих материалов составляют упорядоченные атомарно тонкие слои атомов углерода, например, в форме одиночного слоя – известные как «графен» или трубчатой формы, известные как углеродные нанотрубки. Электронные свойства таких структур близки таковым у графита – состоящего, грубо говоря, из стопки графеновых слоев. Несмотря на интенсивные исследования, имевшие место в прошлом, фундаментальные свойства электронов в таких материалах не вполне понятны и по-прежнему дебатируются.

Группа германских ученых из берлинского Института нелинейной оптики им. Макса Борна (Max-Born-Institute in Berlin) исследовала поведение электронов в реальном масштабе времени в тонких графитовых пленках. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters (Markus Breusing, Claus Ropers and Thomas Elsaesser. Ultrafast Carrier Dynamics in Graphite, – Phys. Rev. Lett., Volume 102, Issue 8, 086809, 2009).

Физикам удалось зарегистрировать динамику электронов с беспрецедентным временным разрешением – всего 10 фемтосекунд (одна фемтосекунда равна одной миллионной доле от одной миллиардной части секунды).

В экспериментах электроны возбуждали до высоких энергетических уровней облучением сверхкороткими лазерными импульсами, после чего рассматривали их возврат в основное состояние. Временное разрешение системы позволяло разрешить отдельные фазы этого процесса, в каждой из которых регистрировали мгновенное распределение электронов в материале. В пределах 30 фемтосекунд электроны формируют горячий [электронный] газ с температурой порядка 2500 оС, который охлаждается примерно до 200 оС в последующие 500 фемтосекунд. Энергия, излученная при охлаждении, переходит в кристаллическую решетку. По окончании, электроны медленно возвращаются в исходное состояние.

Это исследование впервые исчерпывающе показало, что на сверхкоротких временных интервалах графит ведет себя как полупроводник, точно так же как кремний или арсенид галлия, а не как металл.

Полученные результаты наблюдений динамики электронов имеют большое значение для описания процессов транспортировки электрического заряда, таких, например, как электрические токи, протекающие через материал на высоких частотах. Результаты могут иметь фундаментальное значение для проектирования будущих электронных устройств на основе углерода, которые обслуживают электрический ток высокого напряжения или частоты.

Евгений Биргер