Δείτε τι θα μάθετε όταν διαβάσετε αυτήν την ιστορία:
-
Οι επιστήμονες πυροβόλησαν λέιζερ σε νανο-λαζάνια ημιαγωγών για να δείξουν πώς συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια.
-
Στις κατάλληλες συνθήκες, τα ηλεκτρόνια έγιναν πολαρόνια, σέρνοντας άτομα με αντίθετα φορτισμένα άτομα για τη διαδρομή.
-
Οι ερευνητές έκαναν εικόνες του νεογέννητου οιονείσωματιδίου και μέτρησαν τη σχετική ενέργεια και μάζα του.
Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου (LMU) και το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang στη Σιγκαπούρη χρησιμοποίησαν πρόσφατα υπερταχεία ηλεκτρονική μικροσκοπία για να δείξουν τον σχηματισμό ενός σημαντικού οιονείσωματιδίου για πρώτη φορά.
Το μεγάλο polaron, ή Fröhlich polaron, είναι ένα ηλεκτρόνιο που έχει συρρικνωθεί προσεκτικά στο κρυσταλλικό πλέγμα ενός ημιαγωγού με θετικά φορτισμένα ιόντα. Ονομάστηκε για έναν συγκεκριμένο τύπο συστήματος που χρησιμοποίησε ο φυσικός Herbert Fröhlich για να απομονώσει θεωρητικά τις συμπεριφορές των polaron. Όπως ένας μαγνήτης, το αρνητικό ηλεκτρόνιο έλκει τα θετικά ιόντα προς το μέρος του, δημιουργώντας μια παραμόρφωση στο κατά τα άλλα συνεπές και προβλέψιμο πλέγμα. Αυτή η συμπεριφορά χαρακτηρίζει ένα ηλεκτρόνιο ως πολαρόνιο.
Στη νέα τους εφημερίδα, δημοσιευμένο στο περιοδικό Υλικά Φυσικής Ανασκόπησηςοι ερευνητές χρησιμοποίησαν οξυιωδιούχο βισμούθιο (BiOI), το οποίο σχηματίζεται φυσικά σε χάλκινους κρυστάλλους τετράγωνης βάσης. Οι επιστήμονες στοιβάζονται [Biâ‚‚Oâ‚‚]²⺠και Iâ»διστιβάδες» σε νανοαιμοπετάλια, μια μικροσκοπική δομή σε σχήμα λαζάνια. Biâ‚‚Oâ‚‚ είναι μοναδικά κατάλληλο για πολυεπίπεδα υλικά σαν αυτά που, παρά τα στρώματά τους, εξακολουθούν να θεωρούνται δισδιάστατα.
Δεδομένου ότι ο πολαρώνας σέρνει μαζί του άλλα σωματίδια μέσα από τον κρύσταλλο, μπορεί να ακούγεται ότι οι επιστήμονες θα μπορούσαν να το παρατηρήσουν με σχετική ευκολία, σαν να παρακολουθούν το ξύπνημα που άφησε μια βάρκα. Αλλά, φυσικά, τίποτα δεν είναι απλό να παρατηρηθεί στη νανοκλίμακα – όλα απαιτούν δαπανηρό εξειδικευμένο εξοπλισμό και περίπλοκες πειραματικές ρυθμίσεις. Επιπλέον, ο Fröhlich θεώρησε ότι οι συμπεριφορές των polaron στην πραγματικότητα καταλήγουν να αλλάζουν την ενέργεια σε ένα σύστημα, προκαλώντας το ηλεκτρόνιο να χάνει ενέργεια και να αποκτά μάζα καθώς σύρεται από οποιαδήποτε αποτελεσματική μέθοδο παρατήρησής του. Επομένως, αποφύγετε την παραμόρφωση της ενέργειας ή την απόκρυψη αυτού του φαινομένου wake-drag «Για το ηλεκτρόνιο», δήλωσε ο Jochen Feldmann, ο επικεφαλής της έρευνας σε αυτό το έργο από το LMU, «πρέπει να αισθάνεται λίγο σαν να έχει αφήσει έναν ασφαλτοστρωμένο δρόμο και να βαδίζει μέσα στη λάσπη».
Οι επιστήμονες αποφάσισαν ότι το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο φωτοεκπομπής με χρονική ανάλυση (TR-PEEM) ήταν ο καλύτερος τρόπος για να ελέγξουν αυτές τις μεταβλητές και να μετρήσουν τόσο την ενέργεια όσο και τη μάζα του polaron καθώς σχηματίστηκε το σωματίδιο. Χρησιμοποίησαν μια λειτουργία απεικόνισης ορμής στη ρύθμιση TR-PEEM και έλαβαν υπόψη όλες τις καθυστερήσεις, τις ελαφρές αλλαγές και άλλους παράγοντες που εμπλέκονται σε κάθε βήμα, έτσι ώστε οι τελικές τους τιμές να επηρεάζονται μόνο από τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου καθώς σύρθηκε προς τα κάτω. Το προετοιμασμένο, στρωματοποιημένο BiOI ανατινάχθηκε με λέιζερ για να στείλει ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη αγωγιμότητας (τη ζώνη στην οποία μπορεί να επηρεαστεί και να παρατηρηθεί η ενέργειά του). Καθώς τα θετικά ιόντα κυνηγούσαν το αρνητικό ηλεκτρόνιο, επηρέασαν την τροχιά στην οποία βρισκόταν όταν τελικά άφησε το δείγμα πίσω. «Μετράμε τον χρόνο που ταξιδεύει το ηλεκτρόνιο και τη γωνία με την οποία εξέρχεται από το υλικό ημιαγωγών», είπε στη δήλωση ο επικεφαλής συγγραφέας Matthias Kestler. “Για να κάνει κανείς αξιόπιστες στατιστικές δηλώσεις, ωστόσο, χρειάζεται πάνω από ένα εκατομμύριο τέτοια γεγονότα.â€
Αυτή η εργασία χρειάστηκε δύο μήνες παρατήρησης, αλλά αποδείχθηκε εξαιρετικά καρποφόρα. Στην απεικόνισή τους, η ομάδα παρατήρησε ότι το στοχευόμενο ηλεκτρόνιο διπλασιάστηκε σε αποτελεσματική μάζα «εντός των πρώτων εκατοντάδων femtoseconds» (ένα φεμτοδευτερόλεπτο είναι ένα τεταρτοδισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου). Επιπλέον, η ενέργεια του συστήματος έδειξε μείωση σε αυτό το χρονικό πλαίσιο, γεγονός που βοήθησε τους επιστήμονες να αποκλείσουν εναλλακτικές εξηγήσεις για αυτό που παρατήρησαν. Και οι δύο ιδιότητες ταιριάζουν με τη θεωρία του Fröhlich για τον polaron.
Πράγματι, αυτό το ίδιο το πείραμα έμοιαζε λίγο με το να βαδίζεις στη λάσπη, που χρειαζόταν μήνες κουραστικής δουλειάς και απαιτούσε πολλή υπομονή. Αλλά τώρα, τα αποτελέσματα μπορούν να βοηθήσουν άλλους επιστήμονες να πραγματοποιήσουν τα δικά τους πειράματα και να κάνουν τα επόμενα βήματα – ίσως προς τις τεχνολογικές εξελίξεις όπως οι ημιαγωγοί και το καύσιμο υδρογόνου – ελπίζουμε με λιγότερη παροιμιώδη λάσπη στα παπούτσια τους.
Μπορεί επίσης να σας αρέσει
