Международная группа ученых смоделировала процессы, происходящие при бомбардировке графена атомами водорода, и выяснила, что связь между элементами образуется за 10 фемтосекунд. Статью опубликовало издательство Science.

Двумерная решетка атомов углерода из правильных шестиугольников толщиной в один атом — это графен. Графен выглядит привлекательно в качестве материала для электронных устройств. Создание из графена устройств, где носители тока движутся без потери энергии и с огромной величиной свободного пробега, возможно, однако затруднено тем фактом, что графен не относится к полупроводникам. Чтобы быть полупроводником, необходим энергетический барьер для выхода электрона из атома в пул свободных зарядов: пока атомы материала не получают энергию на покрытие этого порога — запрещенной зоны — ток по полупроводнику идти не может.

Присоединением к углеродной решетке водорода можно решить вопрос «неполупроводниковости», а потому ученые бомбардировали графеновый слой атомами водорода и наблюдали за ходом процесса с атомарным разрешением. Эксперимент проводили в вакууме, для детекции атомов водорода применяли лазерные системы. Как оказалось, водород ненадолго прилипал к атомам углерода, а затем отскакивал от поверхности, что говорило о формировании кратковременной химической связи. Также атомы водорода имели значительно больше энергии до столкновения с графеном, чем после: при столкновении они теряли часть энергии.

Чтобы достичь понимания происходящего, команда ученых разработала компьютерную симуляцию. Благодаря модели исследователи смогли воспроизвести сверхбыстрые движения атомов при образовании переходной химической связи. Связь длилась около десяти фемтосекунд (10⁻¹⁵ с), в течение которых атом водорода мог передавать почти всю свою энергию подложке (от 1 до 2 электроновольт). В результате обмена энергией по поверхности графена расходились звуковые волны, подобные колебаниям волной глади. Звуковая волна способствовала тому, что атом водорода легче связывался с атомом углерода, чем считалось ранее.