Elektronit eivät pysy atomiytimien vauhdissa

Yksi 1900-luvun fysiikan suurista menestyksistä oli kiinteiden aineiden kvanttimekaaninen kuvaus. Tämä antoi tiedemiehille ensimmäistä kertaa mahdollisuuden ymmärtää, miten ja miksi tietyt materiaalit johtavat sähköä ja miten näitä ominaisuuksia voitiin tarkoituksella muuttaa.

Jotta fyysikot voisivat matemaattisesti tallentaa elektronien ja atomiytimien välisen monimutkaisen vuorovaikutuksen ja niiden liikkeiden suhdetta kiinteässä aineessa, heidän täytyi tehdä joitakin yksinkertaistuksia. He olettivat esimerkiksi, että atomin kevyemmät elektronit seuraavat paljon raskaampien atomiytimien liikettä kidehilassa viiveettä. Tämä Born-Oppenheimerin approksimaatio toimi hyvin useiden vuosikymmenten ajan.

Nyt kuitenkin ETH Zürichin ja Hampurissa sijaitsevan Max Planck -instituutin tutkijat ovat osoittaneet, että tiettyjen materiaalien elektronit reagoivat viiveellä. Lisäksi tämä viive riippuu siitä, missä elektronit sijaitsevat ja missä energiatilassa ne ovat.

Ursula Keller ja Lukas Gallmann ETH:n fysiikan laitoksella pystyivät attosekunnin resoluutiolla tehtyjen kokeiden ja teoreettisten laskelmien avulla osoittamaan, että litteiden kerrosmateriaalien, niin kutsuttujen MXeenien, elektronit reagoivat atomiytimien liikkeeseen huomattavalla viiveellä.

Tutkijat käyttävät attosekuntispektroskopiaa tutkiakseen fysikaalisia tapahtumia uskomattoman tarkkuudella, joka on sekunnin miljardisosien miljardisosien luokkaa (10⁻⁸ sekuntia).

Mittauksissaan vaihtelemalla kahden laserpulssin välistä aikaeroa muutamasta femtosekunnista pikosekunteihin fyysikot pystyivät määrittämään erittäin tarkasti viiveen, jolla elektronit reagoivat hilavärähtelyjen äkilliseen herätteeseen.

”Born-Oppenheimerin standardiapproksimaatiossa emme tietenkään odottaisi minkäänlaista viivettä”, Sergej Neb sanoo, ”mutta huomasimme, että elektronit olivat jopa kolmekymmentä femtosekuntia jäljessä atomiytimistä – attosekuntimaailmassa se on erittäin pitkä aika.”

Lopuksi ETH:n tutkijat vertasivat tietojaan hampurilaisten kollegoidensa kehittämän matemaattisen mallin tuloksiin. Tutkijat toivovat, että heidän uudet näkemyksensä johtavat aiheen tarkempiin matemaattisiin malleihin.

Myös käytännön sovelluksia voidaan kuvitella. ”Menetelmämme avulla voimme mitata elektronien ja hilavärähtelyjen välisen kytkentävoimakkuuden. Tämän perusteella voimme ennustaa, missä olosuhteissa tietyt elektronit osallistuvat enemmän tai vähemmän voimakkaasti lämmönjohtavuuteen”, Neb lisää.

Energian ja varauksen siirtymisen parempi ymmärtäminen mahdollistaa materiaalien paremman hallinnan ja siten uusia mahdollisuuksia optoelektronisille laitteille nanotasolla.

Samalla mikroskooppiset näkemykset lämmönjohtuvuudesta atomitasolla ovat lähtökohta entistä pienempien ja tehokkaampien elektronisten komponenttien kehittämiselle.

Aiheesta aiemmin:

Elektronien ja fononien ennustetaan virtaavan kuin vesi 2D-puolijohteissa

Elektronit ja aukot kulkevat kiteessä eri suuntiin ilman resistanssia

Elektroneja ja aukkoja yhdistellen