Come reagiscono diversi materiali all'impatto degli ioni? Questa è una domanda che gioca un ruolo importante in molte aree di ricerca, ad esempio nella ricerca sulla fusione nucleare, quando le pareti del reattore a fusione sono bombardate da ioni ad alta energia, ma anche nella tecnologia dei semiconduttori, quando i semiconduttori vengono bombardati con ioni travi per produrre strutture minuscole.

Il risultato di un impatto ionico su un materiale è facile da studiare retrospettivamente. Tuttavia, è difficile comprendere la sequenza temporale di tali processi. Un gruppo di ricerca della TU Wien è ora riuscito ad analizzare su una scala temporale di un femtosecondo cosa accade alle singole particelle coinvolte quando uno ione penetra in materiali come il grafene o il bisolfuro di molibdeno. Un'analisi attenta degli elettroni che vengono emessi nel processo è stata fondamentale:possono essere utilizzati per ricostruire la sequenza temporale dei processi:in un certo senso, la misurazione diventa un "rallentatore di elettroni". I risultati sono stati ora pubblicati in Lettere di revisione fisica e sono stati selezionati come Suggerimenti dell'editore.

Il gruppo di ricerca del Prof. Richard Wilhelm presso l'Istituto di Fisica Applicata della TU Wien lavora con ioni altamente carichi. Gli atomi di xeno, che hanno 54 elettroni nel loro stato neutro, vengono privati ​​di 20-40 elettroni e gli ioni xeno fortemente caricati positivamente che rimangono vengono quindi diretti su un sottile strato di materiale.

"Siamo particolarmente interessati all'interazione di questi ioni con il materiale grafene, che consiste in un solo strato di atomi di carbonio", afferma Anna Niggas, prima autrice del presente articolo. "Questo perché sapevamo già da precedenti esperimenti che il grafene ha proprietà molto interessanti. Il trasporto degli elettroni nel grafene è estremamente veloce."

Le particelle reagiscono così rapidamente che non è possibile osservare direttamente i processi. Ma ci sono trucchi speciali che possono essere usati:"Durante tali processi, di solito viene rilasciato anche un gran numero di elettroni", spiega Anna Niggas. "Siamo stati in grado di misurare il numero e l'energia di questi elettroni in modo molto preciso, confrontare i risultati con i calcoli teorici forniti dai nostri coautori dell'Università di Kiel e questo ci ha permesso di svelare cosa accade su una scala di femtosecondi."

Viaggio a femtosecondi attraverso il grafene

Innanzitutto, lo ione altamente carico si avvicina allo strato sottile di materiale. A causa della sua carica positiva, genera un campo elettrico e quindi influenza gli elettroni del materiale:già prima dell'impatto, gli elettroni del materiale si muovono nella direzione del sito dell'impatto. Ad un certo punto, il campo elettrico diventa così forte che gli elettroni vengono strappati dal materiale e catturati dallo ione altamente carico. Subito dopo, lo ione colpisce la superficie e penetra nel materiale. Ciò si traduce in un'interazione complessa; lo ione trasferisce molta energia al materiale in breve tempo e vengono emessi elettroni.

Se mancano elettroni nel materiale, rimane carica positiva. Tuttavia, questo viene rapidamente compensato dagli elettroni che si spostano da altre aree del materiale. Nel grafene, questo processo è estremamente veloce; forti correnti si formano all'interno del materiale su scala atomica per un breve periodo. Nel bisolfuro di molibdeno, questo processo è leggermente più lento. In entrambi i casi, tuttavia, la distribuzione degli elettroni nel materiale influenza a sua volta gli elettroni che sono già stati rilasciati dal materiale e per questo motivo, se rilevati con attenzione, questi elettroni emessi forniscono informazioni sulla struttura temporale dell'impatto . Solo gli elettroni veloci possono lasciare il materiale, gli elettroni più lenti si girano, vengono ricatturati e non finiscono nel rivelatore di elettroni.

Lo ione ha bisogno solo di circa un femtosecondo per penetrare in uno strato di grafene. I processi su scale temporali così brevi potevano essere misurati in precedenza con impulsi laser ultracorti, ma in questo caso depositerebbero molta energia nel materiale e cambierebbero completamente il processo. "Con il nostro metodo, abbiamo trovato un approccio che consente nuove intuizioni piuttosto fondamentali", afferma Richard Wilhelm, capo di un progetto FWF START presso TU Wien. "I risultati ci aiutano a capire come la materia reagisce a un'esposizione a radiazioni molto brevi e molto intense, non solo agli ioni, ma in definitiva anche agli elettroni o alla luce". + Esplora ulteriormente

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