Ionefysikk på femtosekundskalaen

Hvordan reagerer ulike materialer på påvirkningen av ioner? Dette er et spørsmål som spiller en viktig rolle innen mange forskningsområder – for eksempel i kjernefysisk fusjonsforskning, når veggene i fusjonsreaktoren blir bombardert av høyenergi-ioner, men også innen halvlederteknologi, når halvledere bombarderes med ion bjelker for å produsere små strukturer.

Resultatet av en ionepåvirkning på et materiale er lett å studere i ettertid. Det er imidlertid vanskelig å forstå den tidsmessige sekvensen av slike prosesser. En forskergruppe ved TU Wien har nå lykkes med å analysere en tidsskala på ett femtosekund hva som skjer med de enkelte partiklene som er involvert når et ion trenger inn i materialer som f.eks. grafen eller molybdendisulfid. En nøye analyse av elektronene som sendes ut i prosessen var avgjørende: De kan brukes til å rekonstruere den tidsmessige sekvensen av prosessene – på en måte blir målingen en «elektron saktebevegelse». Resultatene er nå publisert i Fysiske gjennomgangsbrev og ble valgt ut som et redaktørforslag.

Prof. Richard Wilhelms forskningsgruppe ved Institutt for anvendt fysikk ved TU Wien jobber med høyt ladede ioner. Xenonatomer, som har 54 elektroner i sin nøytrale tilstand, blir strippet for 20 til 40 elektroner, og de sterkt positivt ladede xenonionene som er igjen blir deretter rettet mot et tynt lag med materiale.

“Vi er spesielt interessert i interaksjonen mellom disse ionene og materialet grafen, som bare består av et enkelt lag med karbonatomer,” sier Anna Niggas, førsteforfatter av denne artikkelen. “Dette er fordi vi allerede visste fra tidligere eksperimenter at grafen har svært interessante egenskaper. Elektrontransport i grafen er ekstremt rask.”

Partiklene reagerer så raskt at det ikke er mulig å observere prosessene direkte. Men det er spesielle triks som kan brukes: «Under slike prosesser frigjøres vanligvis også et stort antall elektroner», forklarer Anna Niggas. “Vi var i stand til å måle antallet og energien til disse elektronene veldig nøyaktig, sammenligne resultatene med teoretiske beregninger bidratt av våre medforfattere fra Kiel University, og dette tillot oss å avdekke hva som skjer på en femtosekundskala.”

Femtosekund reise gjennom grafen

Først nærmer det høyt ladede ion seg det tynne laget av materiale. På grunn av dens positiv ladninggenererer det en elektrisk felt og dermed påvirker elektronene i materialet – allerede før sammenstøtet beveger elektronene i materialet seg i retning av nedslagsstedet. På et tidspunkt blir det elektriske feltet så sterkt at elektroner rives ut av materialet og fanges opp av det høyt ladede ionet. Umiddelbart etterpå treffer ionet så overflaten og trenger inn i materialet. Dette resulterer i en kompleks interaksjon; ionet overfører mye energi til materialet på kort tid og det sendes ut elektroner.

Hvis elektroner mangler i materialet, forblir positiv ladning. Dette kompenseres imidlertid raskt for av elektroner som beveger seg inn fra andre områder av materialet. I grafen er denne prosessen ekstremt rask; sterke strømmer dannes i materialet på atomskala i kort tid. I molybdendisulfid er denne prosessen noe langsommere. I begge tilfeller påvirker imidlertid distribusjonen av elektroner i materialet på sin side elektronene som allerede er frigjort fra materialet – og av denne grunn, hvis de blir nøye oppdaget, gir disse utsendte elektronene informasjon om den tidsmessige strukturen til støtet . Bare raske elektroner kan forlate materialet, langsommere elektroner snur seg, blir gjenfanget, og havner ikke i elektrondetektoren.

Ionet trenger bare omtrent ett femtosekund for å trenge gjennom et grafenlag. Prosesser på så korte tidsskalaer kunne man tidligere måle med ultrakorte laserpulser— men i dette tilfellet ville de lagt mye energi i materialet og fullstendig endret prosessen. “Med metoden vår har vi funnet en tilnærming som tillater ganske fundamental ny innsikt,” sier Richard Wilhelm, leder for et FWF START-prosjekt ved TU Wien. “Resultatene hjelper oss å forstå hvordan materie reagerer på svært kort og svært intens strålingseksponering – ikke bare på ioner, men til slutt også på elektroner eller lys.”

---

---