ثبت کوتاه ترین حرکت الکترون با لیزرهای اتوثانیهای
سیناپرس: پژوهشگران برای اولین بار با استفاده از لیزرهای اتوثانیهای که کوتاهترین پالس نوری را تا به امروز تولید کرده‌اند موفق شدند از الکترون‌ها به هنگام جهش از اتمهای سیلیکون به نوار هدایت نیمه‌هادی عکسبرداری کنند. جهش الکترون از اتم سیلیکون به نوار هدایت، پدیده اصلی در عملکرد ترانزیستورها است. آنها این جهش را ظرف مدت ۴۵۰ اتوثانیه اندازه گرفتند و حرکت ارتجاعی شبکه کریستالی را پس از گذشت ۶۰ فمتوثانیه مشاهده کردند. لذا واکنش شبکه کریستالی به این جهش با تاخیری ۱۲۰ برابر طولانی‌تر از خود جهش صورت می‌گیرد.
کل صنعت نیمه‌هادی بر اساس تمایل الکترون‌های سیلیکون به پس زدن پوسته‌های اتمی خود و آزاد شدنشان بنا شده است. این الکترون‌های متحرک توسط ترانزیستورها مسیریابی می‌شوند تا اطلاعات دیجیتال را حمل کنند.
گروهی از فیزیکدانان و شیمیدان‌های دانشگاه برکلی در کالیفرنیا، برای اولین بار توانستند از این رویداد زودگذر توسط پالس‌های اتوثانیهای از اشعه ایکس که فقط برای چند میلیاردم میلیاردم یک ثانیه پایدار است عکسبرداری کنند.
در حالیکه لیزرهای فمتوثانیه‌ای قبلی قادر به حل و فصل پرش الکترون در لایه ظرفیت اتم سیلیکون از روی شکاف انرژی و رسیدن آن به لایه هدایت نبودند، آزمایش های اخیر نشان دادند که چنین گذاری کمتر از ۴۵۰ اتوثانیه ( هر اتوثانیه ده به توان منفی هجده ثانیه) طول می‌کشد.
پروفسور استفن لیون از تیم تحقیقاتی برکلی می‌گوید: « گرچه مرحله برانگیختن الکترون‌ها بیش از حد سریع اتفاق می‌افتد اما ابداع روش جدید ما را قادر می‌کند که فیلمی از روند این فرایند را با ثبت عکس‌های منفرد پشت سر هم از جهش الکترون مشاهده کنیم.»
کشف قرن گذشته
لیون اشاره می‌کند که بیش از یک قرن از کشف قابلیت نور در رسانا کردن برخی مواد خاص می‌گذرد. اولین فیلم گذار الکترون‌ها از شکاف انرژی در سیلیکون پس از برانگیختن آنها توسط دستگاه طیف‌سنجی اتوثانیهای فوق فرابنفش در آزمایشگاه فیزیک اتوثانیهای دانشگاه برکلی و به سرپرستی دکتر لیون و دانیل نیومارک به تازگی ساخته شد.
در مواد نیمه‌رسانا، ابتدا الکترون‌ها در اطراف اتمهای منفرد متمرکز شده‌اند و بلور کریستالی را تشکیل می‌دهند در نتیجه نمی‌توانند حرکت کنند یا در جریان الکتریکی شرکت کنند. زمانی که نور با این مواد برخورد می‌کند یا اختلاف پتانسیل به آن اعمال می‌شود، برخی از الکترون‌ها انرژی جذب می‌کنند و به حالت‌های سیال برانگیخته می‌شوند تا بتوانند درون ماده آزادانه جابه‌جا شوند. الکترون‌های متمرکز با یک جهش کوانتومی به لایه هدایت می‌رسند. سد انرژی (شکاف انرژی) الکترون‌ها را مقید به اتم نگه می‌دارد اما الکترون‌ها برای رسیدن به لایه هدایت در داخل سد انرژی تونل می‌سازند.
پس از جهش کوانتومی، الکترون‌های متحرک و آزاد ماده نیمه‌رسانا را به ماده رسانا تبدیل می‌کنند لذا اعمال اختلاف پتانسیل می‌تواند به تشکیل جریان الکتریکی در داخل ماده منجر شود. این رفتار به مهندسان اجازه می‌دهد سویچ‌های سیلیکونی یا ترانزیستورهایی بسازند که در اصل پایه الکترونیک دیجیتال هستند.
پژوهشگران با طیف‌سنجی اتوثانیهای فوق فرابنفش مانند کرنومتر اتوثانیهای گذار الکترون را از لایه ظرفیت به لایه هدایت دنبال کردند. آنها شبکه کریستالی سیلیکون را در معرض جرقه‌های بسیار کوتاه نور مرئی منتشر شده از یک منبع لیزری قرار دادند. به دنبال این مرحله پالس‌هایی از اشعه ایکس را به مدت چند ده اتوثانیه به کریستال سیلیکون تاباندند تا از فرایند برانگیزش توسط تحریک پالس لیزری عکسبرداری کنند. با تحریک فوق سریع، اتمهای کریستال را در طول برهم‌کنش می‌توان منجمد فرض کرد و این فرض تحلیل رفتار نظری آنها را ساده‌تر می‌کند. داده‌های حاصل از این آزمایش توسط مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای در دانشگاه تی‌سوکوبا تحلیل شد. مدلسازی هردو فرایند برانگیزش و برهم‌کنش پالس‌های اشعه ایکس با بلور سیلیکون توسط این شبیه‌سازی‌ها صورت می‌گیرد.
برانگیختن نیمه‌هادی با نور
فرایند تحریک یک نیمه هادی با نور شامل دو رویداد مجزا است. اول، الکترون انرژی نور را جذب می‌کند و برانگیخته می‌شود. پس از آن، شبکه متشکل از اتمها در بلور در پاسخ به توزیع مجدد الکترون‌ها از نو چیده می‌شود و بخشی از انرژی جذب شده که توسط امواج نوسانی به نام فونون‌ها حمل می‌شود را به حرارت تبدیل می‌کند.
پژوهشگران با تحلیل داده‌های به دست آمده از صحت فرضیه فوق مطمئن شدند. آنها نشان دادند که در ابتدا فقط الکترون‌ها نسبت به برخورد نور واکنش نشان می‌دهند و شبکه اتم تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد.آنها مشاهده کردند که با گذشت مدت زمان زیادی از قطع برخورد پالس لیزر به نمونه، در حدود ۶۰ فمتوثانیه بعد، اتمها (فونون‌ها) به طور دسته جمعی شروع به جابجایی می‌کنند. این زمان تاخیر نزدیک به دوره تناوب ۶۴ فمتوثانیه‌ای سریع‌ترین نوسانات شبکه است.
بر اساس نظریه اخیر، پژوهشگران فاصله شبکه از نو تشکیل شده در اثر جهش الکترون را در حدود 6 پیکومتر (ده به توان منفی دوازده متر) محاسبه کردند که با تخمین‌های قبلی آنها مطابقت داشت.
دکتر نیومارک می‌گوید: «این نتایج نمونه روشنی از کاربرد علم اتوثانیه در یک سیستم پیچیده است.»
قدرت تفکیک زمانی بی‌نظیر فناوری اتوثانیه اجازه خواهد داد که دانشمندان بتوانند فرایندهای الکترونیکی بسیار کوتاه در مواد جامد را مشاهده کنند و چالش جدیدی در نظریه برهم‌کنش نور و ماده، شامل مرحله برانگیختن، زمانبندی آن و تفسیر طیف تجربی اشعه ایکس مطرح می‌کند.
تاثیر جهت میدان الکتریکی در رفتار الکترون برانگیخته
همانطور که گفته شد، برخورد پالس پرشدت لیزر فمتوثانیه با اتم گاز نجیب ابتدا باعث دور شدن پرسرعت الکترون از هسته می‌شود سپس در فرآیند برگشت به سمت هسته و ساطع کردن انرژی بدست آمده در شکل فوتون قطاری از پالس‌های اتوثانیه تولید می‌شود.
برای تولید پالس اتو از لیزری که میدان الکتریکی آن در حدود فمتوثانیه تغییر جهت می‌دهد به عنوان منبع محرک الکترون استفاده می‌شود. در شکل پالس لیزری بیشترین شدت در مرکز پالس متمرکز است و مدت زمان این پالس لیزری در حدود فمتوثانیه است. هنگامی که این پالس به سمت اتم تابیده می‌شود نیروی وارده از طرف این پالس با فرکانس 2500 اتوثانیه تغییر جهت می دهد. اگر این نیرو به نیروی بین الکترون و هسته غلبه کند باعث کنده شدن الکترون از سطح اتم می‌شود. اندکی پس از تابش لیزر به اتم، الکترون به علت بار منفی، به جهت مخالف میدان الکتریکی پالس سرعت می‌گیرد و سرعت آن به چند ده کیلومتر بر ثانیه می‌رسد.
علی‌رغم سرعت اولیه بسیار بالا، الکترون نمی تواند کاملا از قید هسته رها شود و تنها چند نانومتر جابجا می‌شود زیرا میدان الکتریکی تغییر جهت می‌دهد و مانند یک ترمز برای الکترون عمل می‌کند و الکترون را به حالت سکون در می‌آورد.
بازگشت به حالت سکون تنها چند اتوثانیه طول می‌کشد زیرا جهت میدان الکتریکی به سرعت تغییر می‌کند و باعث برخورد مجدد الکترون با هسته اولیه خود می‌شود. الکترون‌هایی که هسته را ترک می‌کردند با بالاترین سرعت به مکان اولیه خود بازگشته و توسط نیروی بین هسته و الکترون مجددا به دام می‌افتند. الکترون تمام انرژی گرفته شده را به صورت یک فوتون در محدوده فوق فرابنفش آزاد می‌کند و این فرایند تنها چند صد اتوثانیه طول می‌کشد.
ثمین موتمن فر / کارشناس الکترونیک نوری
