Como os diferentes materiais reagem ao impacto dos íons? Esta é uma questão que desempenha um papel importante em muitas áreas de pesquisa - por exemplo, na pesquisa de fusão nuclear, quando as paredes do reator de fusão são bombardeadas por íons de alta energia, mas também na tecnologia de semicondutores, quando os semicondutores são bombardeados com íons. vigas para produzir pequenas estruturas.

O resultado de um impacto iônico em um material é fácil de estudar retrospectivamente. No entanto, é difícil compreender a sequência temporal de tais processos. Um grupo de pesquisa da TU Wien conseguiu agora analisar em um escala de tempo de um femtosegundo o que acontece com as partículas individuais envolvidas quando um íon penetra em materiais como grafeno ou dissulfureto de molibdénio. Uma análise cuidadosa dos elétrons que são emitidos no processo foi crucial: eles podem ser usados ​​para reconstruir a sequência temporal dos processos – de certa forma, a medição se torna um “elétron em câmera lenta”. Os resultados já foram publicados em Physical Review Letters e foram selecionados como Sugestão do Editor.

O grupo de pesquisa do Prof. Richard Wilhelm no Instituto de Física Aplicada da TU Wien trabalha com íons altamente carregados. Os átomos de xenônio, que têm 54 elétrons em seu estado neutro, são despojados de 20 a 40 elétrons, e os íons de xenônio fortemente carregados positivamente que permanecem são então direcionados para uma fina camada de material.

“Estamos particularmente interessados ​​na interação desses íons com o material grafeno, que consiste em apenas uma única camada de átomos de carbono”, diz Anna Niggas, primeira autora do artigo atual. “Isso porque já sabíamos de experimentos anteriores que o grafeno tem propriedades muito interessantes. O transporte de elétrons no grafeno é extremamente rápido.”

As partículas reagem tão rapidamente que não é possível observar os processos diretamente. Mas há truques especiais que podem ser usados: “Durante esses processos, geralmente também é liberado um grande número de elétrons”, explica Anna Niggas. “Conseguimos medir o número e a energia desses elétrons com muita precisão, comparar os resultados com cálculos teóricos contribuídos por nossos coautores da Universidade de Kiel, e isso nos permitiu desvendar o que acontece em uma escala de femtossegundos”.

Viagem de femtossegundos através do grafeno

Primeiro, o íon altamente carregado se aproxima da fina camada de material. Devido a sua carga positiva, gera um campo elétrico e assim influencia os elétrons do material - já antes do impacto, os elétrons do material se movem na direção do local do impacto. Em algum momento, o campo elétrico se torna tão forte que os elétrons são arrancados do material e capturados pelo íon altamente carregado. Imediatamente depois, o íon atinge a superfície e penetra no material. Isso resulta em uma interação complexa; o íon transfere muita energia para o material em pouco tempo e os elétrons são emitidos.

Se faltam elétrons no material, a carga positiva permanece. No entanto, isso é rapidamente compensado pelos elétrons que se movem de outras áreas do material. No grafeno, esse processo é extremamente rápido; correntes fortes se formam dentro do material em escala atômica por um curto período de tempo. No dissulfeto de molibdênio, esse processo é um pouco mais lento. Em ambos os casos, no entanto, a distribuição de elétrons no material, por sua vez, influencia os elétrons que já foram liberados do material – e por isso, se forem detectados com cuidado, esses elétrons emitidos fornecem informações sobre a estrutura temporal do impacto. . Apenas elétrons rápidos podem deixar o material, elétrons mais lentos giram, são recapturados e não acabam no detector de elétrons.

O íon precisa de apenas cerca de um femtosegundo para penetrar em uma camada de grafeno. Processos em escalas de tempo tão curtas poderiam anteriormente ser medidos com pulsos de laser ultracurtos— mas neste caso eles depositariam muita energia no material e mudariam completamente o processo. “Com nosso método, encontramos uma abordagem que permite novos insights bastante fundamentais”, diz Richard Wilhelm, chefe de um projeto FWF START na TU Wien. “Os resultados nos ajudam a entender como a matéria reage à exposição à radiação muito curta e muito intensa – não apenas a íons, mas também a elétrons ou luz.”