Lasery attosekundowe pomocne w badaniu kryształów krzemowych
W materiałach półprzewodnikowych, takich jak krzem, elektrony są zwykle zlokalizowane wokół atomów tworzących kryształ. Cząsteczki te nie są zdolne do ruchu, dlatego też wnoszą wkład do przepływającego prądu produkowanego z chwilą przyłożenia napięcia. Jednak w przypadku wystawienia tych materiałów na działanie światła, część elektronów absorbuje dość energii, by przecisnąć się przez barierę, która zapewnia ich połączenie z atomami, i zaczyna przemieszczać się po materiale. Dzięki elektronom mobilnym materiał półprzewodzący staje się przewodnikiem, pozwalając inżynierom wykonać krzemowe przełączniki znane jako tranzystory ─ moduły budulcowe wszelkich urządzeń cyfrowych. W ramach projektu ATTOTRON (Attosecond electron processes in solids), finansowanego ze środków UE, badacze wykorzystali impulsy attosekundowe miękkiego promieniowania rentgenowskiego, by podążyć za przemianą elektronów. Mówiąc dokładniej, naukowcy w pierwszej kolejności wystawili kryształy krzemowe na działanie ultrakrótkich błysków światła widzianego emitowanego przez źródło laserowe. Następnie próbki oświetlono impulsami promieniowania rentgenowskiego o długości zaledwie kilku attosekund. Dzięki tej metodologii naukowcy mieli możliwość uchwycić obraz czasowej ewolucji procesu wzbudzania wyzwolonego przez światło laserowe. Podczas analizy tych danych zespół ATTOTRON odkrył silne dowody na to, że przemiana elektronów prowadzi do odbicia atomów. Badacze wykazali, że początkowo jedynie elektrony reagowały, podczas gdy sieć atomowa pozostawała nienaruszona. Po opuszczeniu próbek przez impulsy laserowe, nastąpiła reorganizacja sieci atomowej w odpowiedzi na kolektywny ruch elektronów, przekształcając część zaabsorbowanej energii w ciepło przenoszone przez fale zwane fotonami. Czasowa rozdzielczość laserów attosekundowych pozwoliła badaczom rozłożyć na elementy te niezwykle szybkie procesy elektroniczne, które zdawały się zbyt szybkie, by zastosować względem nich podejście eksperymentalne. Z drugiej strony jednoznaczną interpretację danych eksperymentalnych wspomogły symulacje z zakresu dynamiki kwantowej. Działania w dziedzinie modelowania objęły zarówno wzbudzanie elektronów, jak i interakcję impulsów rentgenowskich z kryształem krzemowym. Odkrycia poczynione w ramach projektu ATTOTRON dotyczące ultraszybkiej dynamiki elektronowej w krzemie opublikowano w renomowanych czasopismach Nature oraz Science.
Słowa kluczowe
Lasery attosekundowe, kryształy krzemowe, dynamika elektronów, światło rentgenowskie, fotony
