Polaronien muodostuminen havaittu

Ludwig-Maximilians-Universität Münchenin (LMU) tutkijat ovat mitanneet suoraan puolijohdefysiikan ilmiön, joka kuvattiin teoreettisesti jo vuonna 1933 – polaronin.

Kun elektroni kulkee polaarisen kiteisen kiinteän aineen läpi, sen negatiivinen varaus vetää puoleensa positiivisesti varautuneita atomiytimiä, mikä aiheuttaa ympäröivän kidehilan muodonmuutoksen. Elektroni ja hilavääristymä liikkuvat sitten yhdessä materiaalin läpi – kuin yksi kappale. Fyysikot kutsuvat näitä kvasihiukkasia polaroneiksi.

LMU:n professori Jochen Feldmannin johtama ryhmä on onnistunut ensimmäistä kertaa seuraamaan tämän kappaleen erittäin lyhyttä muodostumisprosessia käyttämällä ultranopeaa kuvantamismenetelmää.

Fyysikot osoittivat kokeellisesti, että elektroni menettää energiaa ja saa massaa – aivan kuten teoria ennusti. Lisäksi he määrittivät polaronin muodostumisajan ja tilan laajuuden. "Tuloksemme vahvistavat kiinteän olomuodon fysiikan käsitteen, joka on ollut olemassa jo pitkään", sanoo LMU:n fyysikko Feldmann.

Feldmannin mukaan elektronille tämän täytyy tuntua vähän siltä kuin se olisi poistunut päällystetyltä tieltä ja kahlaa mudassa.

”Tuloksemme osoittavat, että Fröhlichin johdatmat kaavat kuvaavat kokeellisesti havaittua polaronin muodostumista erittäin hyvin”, Feldmann jatkaa. Tämän perusteella voimme nyt paremmin ymmärtää, miten elektronit liikkuvat kiinteän aineen kidehilassa – erityisesti polaarisissa puolijohdemateriaaleissa.

Kaksi fyysikkoa vahvistavat, että heidän tutkimuksensa on ”erittäin arvokas tiedeyhteisölle ja auttaa sekä jatkokokeiden suunnittelussa että erilaisten laitteiden kehittämisessä”. Feldmannilla on jo idea: ”Voin kuvitella mekaanisten vääristymien käyttämisen katalyyttisten prosessien käynnistämiseen, mikä mahdollistaisi fotokemialliset reaktiot”, fyysikko sanoo.

Esimerkiksi hänen tutkimusryhmänsä LMU:n nano-instituutissa kehittää nanorakenteita, jotka voivat jakaa vesimolekyylejä valon avulla vedyn tuottamiseksi. ”Tällaiset reaktiot vaativat normaalisti melko suuria aktivointienergioita”, Feldmann selittää. ”Jos olisi mahdollista herättää mekaanisia liikkeitä pinnalla, se voisi vähentää näitä aktivointienergioita ja lisätä merkittävästi hyötysuhdetta.”

Aiheesta aiemmin:

Kuinka polaritoni poukkoilee ohenevassa tellureenissa