|
Впервые увидели образование загадочной частицы
|
|
|
|
Ученые из Мюнхенского университета имени Людвига Максимилиана (LMU) и Наньянского технологического университета в Сингапуре недавно использовали сверхбыструю электронную микроскопию, чтобы впервые продемонстрировать формирование важной квазичастицы.
|
|
|
|
Большой полярон, или полярон Фрелиха, - это электрон, который был тщательно встроен в кристаллическую решетку полупроводника из положительно заряженных ионов; он назван в честь особого типа системы, которую физик Герберт Фрелих использовал для теоретического определения поведения поляронов. Подобно магниту, отрицательный электрон притягивает к себе положительные ионы, создавая искажение в неизменной и предсказуемой кристаллической решетке. Такое поведение характеризует электрон как полярон.
|
|
|
|
В своей новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Materials, исследователи использовали оксииодид висмута (BiOI), который естественным образом образуется в виде кристаллов квадратной формы медного цвета. Ученые ”сложили [Bi2O2]2+ и I- бислои" в нанопластинки, микроскопическую структуру в форме лазаньи. Bi2O2 уникально подходит для слоистых материалов, подобных этим, которые, несмотря на наличие слоев, все еще считаются двумерными.
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку полярон увлекает за собой другие частицы через кристалл, может показаться, что ученые смогут наблюдать за ним с относительной легкостью, как за следом, оставляемым лодкой. Но, конечно, наблюдать на наноуровне не так—то просто - все требует дорогостоящего специализированного оборудования и сложных экспериментальных установок. Более того, Фрелих предположил, что поведение поляронов на самом деле приводит к изменению энергии в системе, заставляя электрон терять энергию и набирать массу, поскольку он увлекается своим “следом” из атомов. Поэтому, чтобы быть эффективным, любой используемый метод наблюдения не должен искажать энергию или скрывать это явление кильватерного сопротивления. “Для electron, - сказал Йохен Фельдманн, руководитель исследования в этом проекте из LMU, - это, должно быть, похоже на то, что он сошел с асфальтированной дороги и пробирается по грязи”.
|
|
|
|
Ученые решили, что фотоэмиссионная электронная микроскопия с временным разрешением (TR-PEEM) является наилучшим способом контроля этих переменных и измерения как энергии, так и массы полярона в момент образования частицы. Они использовали режим визуализации импульса на установке TR-PEEM и учитывали все задержки, незначительные изменения и другие факторы, связанные с каждым этапом, чтобы на их конечные значения влияло только собственное поведение электрона при его перемещении вниз. Подготовленный слоистый биоинженерный материал был обработан лазером, чтобы направить электрон в зону проводимости (зону, в которой можно воздействовать на его энергию и наблюдать за ней). Когда положительные ионы преследовали отрицательный электрон, они влияли на траекторию, по которой он в конечном итоге покидал образец. “Мы измеряем время, за которое электрон проходит свой путь, и угол, под которым он выходит из полупроводникового материала”, - сказал в своем заявлении ведущий автор Маттиас Кестлер. “Однако для получения надежных статистических данных требуется более миллиона таких событий”.
|
|
|
|
На эту работу ушло два месяца наблюдений, но она оказалась чрезвычайно плодотворной. На своих снимках команда обнаружила, что эффективная масса электрона-мишени удвоилась “в течение первых нескольких сотен фемтосекунд” (фемтосекунда - это одна квадриллионная секунды). Кроме того, за это время энергия системы уменьшилась, что помогло ученым исключить альтернативные объяснения того, что они наблюдали. Оба эти качества согласуются с теорией полярона Фрелиха.
|
|
|
|
Действительно, сам по себе этот эксперимент был немного похож на брожение по грязи, требовал месяцев кропотливой работы и большого терпения. Но теперь полученные результаты могут помочь другим ученым провести свои собственные эксперименты и сделать следующие шаги — возможно, в направлении таких технологических достижений, как полупроводники и водородное топливо, — надеюсь, с меньшим количеством пресловутой грязи на ботинках.
|
|
|
|
Источник
|
