전자 슬로우 모션: 펨토초 규모의 이온 물리학

2022년 8월 22일

비엔나 공과대학교

다양한 물질은 이온의 영향에 어떻게 반응합니까? 이는 많은 연구 분야에서 중요한 역할을 하는 질문입니다. 예를 들어 핵융합 연구에서 핵융합로의 벽에 고에너지 이온이 충돌하는 경우는 물론, 반도체 기술에서 반도체에 이온이 충돌하는 경우도 있습니다. 작은 구조물을 생산하는 빔.

재료에 대한 이온 충격의 결과는 후향적으로 연구하기 쉽습니다. 그러나 그러한 과정의 시간적 순서를 이해하는 것은 어렵습니다. TU Wien의 연구 그룹은 이제 이온이 그래핀이나 이황화 몰리브덴과 같은 물질에 침투할 때 관련된 개별 입자에 어떤 일이 일어나는지를 1펨토초 단위의 시간 단위로 분석하는 데 성공했습니다. 프로세스에서 방출되는 전자에 대한 주의 깊은 분석은 매우 중요합니다. 이를 통해 프로세스의 시간적 순서를 재구성할 수 있습니다. 즉, 측정이 "전자 슬로우 모션"이 됩니다. 결과는 이제 Physical Review Letters에 게재되었으며 편집자 제안으로 선정되었습니다.

TU Wien 응용 물리학 연구소의 Richard Wilhelm 교수 연구 그룹은 고도로 하전된 이온을 연구하고 있습니다. 중성 상태에서 54개의 전자를 갖고 있는 크세논 원자는 20~40개의 전자를 제거하고 남아 있는 강한 양전하를 띤 크세논 이온은 얇은 물질층으로 이동합니다.

이번 논문의 첫 번째 저자인 Anna Niggas는 “우리는 이러한 이온과 탄소 원자 단층으로만 구성된 그래핀 물질의 상호 작용에 특히 관심이 있습니다.”라고 말했습니다. "이것은 그래핀이 매우 흥미로운 특성을 가지고 있다는 것을 이전 실험에서 이미 알고 있었기 때문입니다. 그래핀의 전자 전달은 매우 빠릅니다."

입자가 너무 빨리 반응하므로 공정을 직접 관찰하는 것은 불가능합니다. 그러나 사용할 수 있는 특별한 트릭이 있습니다. "이러한 프로세스 중에 일반적으로 많은 수의 전자도 방출됩니다"라고 Anna Niggas는 설명합니다. "우리는 이러한 전자의 수와 에너지를 매우 정확하게 측정할 수 있었고 그 결과를 킬 대학의 공동 저자가 제공한 이론적 계산과 비교할 수 있었으며 이를 통해 펨토초 규모에서 무슨 일이 일어나는지 밝혀낼 수 있었습니다."

첫째, 고도로 하전된 이온이 물질의 얇은 층에 접근합니다. 양전하로 인해 전기장을 생성하여 물질의 전자에 영향을 미칩니다. 이미 충격이 가해지기 전에 물질의 전자가 충격 부위 방향으로 이동합니다. 어떤 시점에서는 전기장이 너무 강해져서 전자가 물질에서 떨어져 나와 고도로 전하를 띤 이온에 의해 포획됩니다. 그 직후 이온은 표면에 충돌하여 재료를 관통합니다. 이로 인해 복잡한 상호 작용이 발생합니다. 이온은 짧은 시간에 물질에 많은 에너지를 전달하고 전자가 방출됩니다.

물질에 전자가 없으면 양전하가 남습니다. 그러나 이는 재료의 다른 영역에서 이동하는 전자에 의해 신속하게 보상됩니다. 그래핀에서는 이 과정이 매우 빠릅니다. 짧은 시간 동안 원자 규모의 물질 내에 강한 전류가 형성됩니다. 이황화 몰리브덴에서는 이 과정이 다소 느립니다. 그러나 두 경우 모두 물질 내 전자의 분포는 물질에서 이미 방출된 전자에 영향을 미칩니다. 이러한 이유로 주의 깊게 감지하면 방출된 전자는 충격의 시간적 구조에 대한 정보를 제공합니다. . 빠른 전자만이 물질을 떠날 수 있고, 느린 전자는 회전하여 다시 포착되어 전자 탐지기에 도달하지 않습니다.

이온이 그래핀 층을 관통하는 데는 약 1펨토초만 필요합니다. 이러한 짧은 시간 규모의 프로세스는 이전에는 초단거리 레이저 펄스로 측정할 수 있었지만 이 경우 재료에 많은 에너지가 축적되어 프로세스가 완전히 변경됩니다. TU Wien의 FWF START 프로젝트 책임자인 Richard Wilhelm은 "우리의 방법을 통해 매우 근본적이고 새로운 통찰력을 제공하는 접근 방식을 찾았습니다."라고 말합니다. "이 결과는 이온뿐만 아니라 궁극적으로 전자나 빛에도 매우 짧고 강렬한 방사선 노출에 물질이 어떻게 반응하는지 이해하는 데 도움이 됩니다."