電子スローモーション: フェムト秒スケールのイオン物理学

2022 年 8 月 22 日

ウィーン工科大学による

さまざまな材料はイオンの衝撃に対してどのように反応するのでしょうか? これは、多くの研究分野で重要な役割を果たす問題です。たとえば、核融合炉の壁に高エネルギーのイオンが衝突する核融合研究だけでなく、半導体にイオンが衝突する半導体技術でも同様です。梁を使って小さな構造物を作ります。

材料に対するイオンの衝撃の結果は、遡及的に研究するのが簡単です。 しかし、そのようなプロセスの時間的順序を理解することは困難です。 ウィーン工科大学の研究グループは、イオンがグラフェンや二硫化モリブデンなどの材料を透過するときに、関与する個々の粒子に何が起こるかを1フェムト秒の時間スケールで分析することに成功した。 プロセス中に放出される電子を注意深く分析することが極めて重要でした。これらの電子は、プロセスの時系列を再構築するために使用できます。ある意味、測定は「電子のスローモーション」になります。 この結果は現在、Physical Review Letters に掲載されており、編集者の提案として選ばれました。

ウィーン工科大学応用物理学研究所のリチャード・ウィルヘルム教授の研究グループは、高度に帯電したイオンを扱っています。 中性状態で 54 個の電子を持つキセノン原子から 20 ～ 40 個の電子が剥ぎ取られ、残った強く正に帯電したキセノン イオンが材料の薄層に向けられます。

「私たちは、これらのイオンと、炭素原子の単層だけで構成される材料グラフェンとの相互作用に特に興味を持っています」と、今回の論文の筆頭著者であるアンナ・ニガス氏は言う。 「これは、グラフェンが非常に興味深い特性を持っていることを以前の実験ですでに知っていたからです。グラフェンの電子輸送は非常に高速です。」

粒子の反応が非常に速いため、プロセスを直接観察することはできません。 しかし、使用できる特別なトリックがあります。「そのようなプロセスでは、通常、大量の電子も放出されます」とアンナ・ニガスは説明します。 「私たちはこれらの電子の数とエネルギーを非常に正確に測定し、その結果をキール大学の共著者らが提供した理論計算と比較することができました。これにより、フェムト秒スケールで何が起こっているのかを解明することができました。」

まず、高度に帯電したイオンが材料の薄層に接近します。 正の電荷により、電場が生成され、その結果、材料の電子に影響を与えます。衝突の前に、材料の電子は衝突部位の方向に移動します。 ある時点で、電場が非常に強くなり、電子が材料から引き剥がされ、高度に帯電したイオンによって捕獲されます。 その直後、イオンは表面に衝突し、材料に浸透します。 これにより、複雑な相互作用が生じます。 イオンは短時間で多くのエネルギーを材料に伝達し、電子が放出されます。

物質内に電子が欠けていると、正の電荷が残ります。 ただし、これは材料の他の領域から電子が移動することによってすぐに補われます。 グラフェンでは、このプロセスは非常に高速です。 強い電流が物質内に原子スケールで短時間形成されます。 二硫化モリブデンでは、このプロセスは多少遅くなります。 ただし、どちらの場合も、材料内の電子の分布は、材料から既に放出された電子に影響を及ぼします。このため、電子を注意深く検出すると、放出された電子は衝突の時間構造に関する情報を提供します。 。 速い電子だけが材料から出ることができ、遅い電子は向きを変えて再捕獲され、最終的に電子検出器には到達しません。

イオンがグラフェン層を貫通するのに必要な時間はわずか約 1 フェムト秒です。 このような短い時間スケールのプロセスは、以前は超短レーザー パルスを使用して測定できましたが、この場合、材料内に多量のエネルギーが蓄積され、プロセスが完全に変化してしまいます。 「私たちの手法により、非常に根本的な新しい洞察を可能にするアプローチを発見しました」とウィーン工科大学の FWF START プロジェクトの責任者、リチャード ウィルヘルム氏は述べています。 「この結果は、非常に短時間で非常に強い放射線曝露、つまりイオンだけでなく、最終的には電子や光にも物質がどのように反応するかを理解するのに役立ちます。」

詳しくは： Anna Niggas et al、「電子の放出によって探査されたグラフェンおよび MoS2 の自立単分子層におけるイオン誘起表面電荷ダイナミクス」、Physical Review Letters (2022)。 DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.086802

雑誌情報:物理的なレビューレター

ウィーン工科大学提供