Электроны, являются основой многих ключевых технологий, от флэш-памяти до батарей и солнечных батарей. Теперь исследователи впервые наблюдают и отслеживают эти крошечные трансграничные движения, наблюдая, как электроны мчались на семь десятых нанометра – примерно на ширину семи атомов водорода – за 100 миллионов с одной миллиардной доли секунды.

Электроны, путешествующие между двумя слоями атомарно тонкого материала, испускают крошечные вспышки электромагнитных волн в терагерцовом спектральном диапазоне. Это свечение, показанное красным и синим, позволило исследователям из SLAC и Стэнфорда наблюдать и отслеживать сверхбыстрые движения электронов. Фото: Грег Стюарт / Национальная ускорительная лаборатория SLAC

Под руководством ученых из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета команда провела эти наблюдения, измерив крошечные вспышки электромагнитных волн, испускаемых бегущими электронами – явление, описанное более столетия назад уравнениями Максвелла, но только сейчас применяется к этому важному измерению.

«Чтобы сделать что-то полезное, как правило, вам нужно соединять разные материалы и передавать между ними заряд, тепло или свет», – сказал Эрик Юе Ма, доктор наук, научный сотрудник лаборатории SLAC / Стэнфордский профессор Тони Хайнц и ведущий автор доклада в Научные достижения.

«Это открывает новый способ измерения того, как заряд – в данном случае электроны и дыры – проходит через резкую границу раздела между двумя материалами», – сказал он. «Это касается не только слоистых материалов. Например, его также можно использовать для наблюдения за электронами, протекающими между твердой поверхностью и молекулами, которые к ней прикреплены, или даже, в принципе, между жидкостью и твердым телом».

Слишком коротко, слишком быстро – или они были?

Материалами, используемыми в этом эксперименте, являются дихалькогениды переходных металлов, или TMDC – появляющийся класс полупроводниковых материалов, которые состоят из слоев толщиной всего несколько атомов. За последние несколько лет наблюдался взрыв интереса к TMDC, поскольку ученые изучают их фундаментальные свойства и потенциальное использование в наноэлектронике и фотонике.

Когда два типа TMDC сложены в чередующиеся слои, электроны могут перетекать из одного слоя в другой контролируемым образом, который люди хотели бы использовать для различных применений.

Но до сих пор исследователи, которые хотели наблюдать и изучать этот поток, могли делать это только косвенно, исследуя материал до и после перемещения электронов. Используемые расстояния были слишком малы, а скорость электронов слишком высока, чтобы современные приборы могли напрямую улавливать поток заряда.

По крайней мере, так они думали.

Максвелл лидирует

Согласно известной системе уравнений, названной в честь физика Джеймса Клерка Максвелла, импульсы тока испускают электромагнитные волны, которые могут варьироваться от радиоволн и микроволн до видимого света и рентгеновских лучей. В этом случае команда поняла, что путешествие электрона от одного слоя TMDC к другому должно генерировать вспышки терагерцевых волн – которые попадают между микроволнами и инфракрасным светом в электромагнитном спектре – и что эти вспышки могут быть обнаружены с сегодняшним состоянием инструменты

«Люди, вероятно, думали об этом раньше, но отвергли эту идею, потому что они думали, что нет никакого способа, которым вы могли бы измерить ток от электронов, путешествующих на такое маленькое расстояние в таком небольшом количестве материала», – сказал Ма. «Но если вы сделаете расчет за пределами огибающей, вы увидите, что если ток действительно такой быстрый, вы сможете измерить излучаемый свет, поэтому мы просто попробовали».

Подталкивания от лазера

Исследователи, все исследователи из Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES) при SLAC, проверили свою идею на материале TMDC, изготовленном из дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама.

Работая с SLAC / Стэнфордским профессором Аароном Линденбергом, Ма и его коллегой-постдоком Бураком Гузельтурком, он ударил материал ультракороткими импульсами оптического лазерного света, чтобы заставить электроны двигаться, и записал терагерцевые волны, которые они испустили, с помощью техники, называемой эмиссионной спектроскопией терагерцового диапазона во времени. Эти измерения показали, что эти измерения показали не только, насколько быстро и быстро электрический ток проходит между слоями, но и направление, в котором он проходил. Когда эти два материала были сложены в обратном порядке, ток протекал точно так же, но в противоположном направлении. направление.

«С демонстрацией этой новой техники теперь можно решать многие захватывающие проблемы», – сказал Хайнц, который руководил расследованием команды. «Например, вращение одного из двух кристаллических слоев по отношению к другому, как известно, резко меняет электронные и оптические свойства объединенных слоев. Этот метод позволит нам непосредственно следить за быстрым движением электронов из одного слоя в другой и видеть, как на это движение влияет взаимное расположение атомов».

По материалам phys.org