İnsanlar ilk kez malzemenin içindeki elektronik hareketi yakaladı
Editörün Notu: Elektron, bir tür leptona ait olan bir tür atom altı parçacıktır. Uzun süredir, küçük kütlesi (9.1x10-31 kg) ve hızlı hızı nedeniyle (çekirdeği çevrelemek sadece 1.8x10-16 saniye sürer), yaygın olarak kullanılmasına rağmen gözlemlemek zordur.
Şubat 2008'de İsveç'ten birkaç bilim adamı İlk defa tek bir elektronik video çekildi , Tarihi bir atılım gerçekleştirdi.
Bilim adamları ilk kez tek bir elektronu filme aldı
Bununla birlikte, çok sayıda elektron ve karmaşık ortam nedeniyle elektronları katı bir cisim içinde fotoğraflamak daha da zordur. Bilim adamları uzun süredir herhangi bir doğrudan gözlem yöntemi bulamadılar.
Birkaç gün öncesine kadar, Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nden (OIST) bilim adamları "femtosaniye kameralarını" başarıyla kullandılar. Malzemenin içindeki elektronların yörüngesi ilk kez yakalandı , Bir kez daha bir atılım gerçekleştirdi.
Thompson 1897'de elektronları keşfettiğinden beri, bilim adamları bu tür atom altı parçacıkların hareketini pek çok şekilde açıklamaya çalıştılar. Elektron çok küçük, hareket çok hızlı, çıplak gözle bile Optik mikroskopla görülemez . Bu nedenle, elektronların hareketinin nasıl ölçüleceği, bilim insanlarının nesiller boyu şaşkına döndü.
Ancak, Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü Yüksek Lisans Üniversitesi'ndeki femtosaniye spektroskopi laboratuvarı izin verdi İnsanoğlu, elektronların hareketini gözlemleme hedefine doğru büyük bir adım attı . Bu teknolojiyle ilgili makaleler 10 Ekim'de "Nature Nanotechnology" dergisinde yayınlandı.
Profesör Keshav Dani, laboratuvarın başıdır ve elektronların hareketini sadece malzemelerin fotoelektrik etkileşimine dayanarak elektronların hareketini anlamaya çalışmakla kalmayıp gözlemlemenin kendi hayali olduğunu söyledi. .
Elektronların hareketini gözlemleyin, Son derece yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğe sahip aletler gerektirir Ancak geleneksel aletler bu iki gereksinimi aynı anda karşılayamaz. Michael Man, laboratuvarda doktora sonrası araştırmacıdır ve güneş pillerindeki elektronların hareketini gözlemlemek için UV darbe teknolojisini elektron mikroskobu ile birleştirir.
Femtosaniye spektroskopi ile elektron hareketinin yüksek zaman çözünürlüklü görüntüleme prensibinin şematik diyagramı. Dalga boyu 800 nanometre (kırmızı) olan bir lazer malzemedeki elektronları uyarır ve dalga boyu 266 nanometre (mavi) olan bir lazer elektronların hareketini ölçmekten sorumludur.
Normal koşullar altında, bir malzeme ışığa maruz kaldığında, elektronlar ışık enerjisini emecek ve düşük enerjili bir durumdan yüksek enerjili bir duruma geçecektir. Işık darbesinin süresi son derece kısaysa - birkaç femtosaniye, 1 femtosaniye, 1 / 1.000.000.000.000.000 saniyeye eşittir , Daha sonra malzemede kısa bir tepki uyandıracak ve uyarılmış elektron daha sonra hızla temel durumuna geri dönecektir.
Güneş pilleri gibi cihazlar için Yüksek enerji durumundayken enerjiyi "sıkıştırın" Bu nedenle bilim adamları, pil malzemelerinin enerji durumlarını nasıl değiştirdiğini ve enerjiyi nasıl serbest bıraktığını bilmek istiyor.
Elbette, femtosaniye zaman ölçeğinde, bir elektronun enerji durumundaki değişikliği doğrudan gözlemlemek imkansızdır. Bu nedenle bilim adamları, önce malzemenin yansıyan ışığındaki değişimi ölçerek dolaylı gözlem amacına ulaşırlar. Yüksek güçlü yoğun lazer darbesi Işınlanmış malzeme, Maddi durumda bir değişiklik başlatın , Bir gecikmeden sonra Zayıf bir lazer darbesi başlatın ve yansıyan ışığı ölçün .
İlk güçlü lazerin enerjisi malzemeyi hızla ısıtacak ve yansıyan fotonlarda değişikliklere neden olacaktır. Malzeme soğumaya başladığında, yansıma normal değere yaklaşmaya başlar. Bu nedenle bilim adamları Yansıyan ışığa bağlı olarak malzemenin iç durumunun dinamik değişimini anlama yeteneği .
Profesör Dani, bu yöntemle ilgili sorunun, malzemede ne olduğunu görememeniz olduğunu, ancak yalnızca yansıyan verilerin yorumlanmasına dayanarak malzeme içindeki elektronlardaki değişiklikleri açıklayabilmeniz olduğunu söyledi.
Profesör Daninin ekibi bu sorunu çözmek için bir Yarı iletken malzemelerdeki elektronik durum değişikliklerini görselleştirme yöntemi .
Zayıf bir lazer malzemeyi ışınladığında, malzemenin yüzeyindeki bazı elektronlar dışarı atılır.Bilim adamları bu elektronları toplamak ve bir görüntü oluşturmak için bir elektron mikroskobu kullanırlar. içinde Zayıf lazerin sürekli ışınlanması altında , Bu elektronlar yavaş yavaş birikecek ve Son olarak malzeme içindeki elektron dağılımını yansıtan bir fotoğraf oluşturulur. .
"Malzemeyi uyarmak için lazeri kullanırsınız, bir süre beklersiniz ve ardından malzemeyi incelemek için başka bir lazer kullanırsınız. Bu şekilde deneyi tekrar tekrar tekrarlayabilir, her seferinde aynı zaman farkını koruyabilirsiniz. Böylece sonunda bu belirli zaman farkının altında bir resim elde edebilirsiniz. , Malzemedeki çoğu elektronik pozisyonun fotoğrafları. "Profesör Dani dedi.
Ardından araştırma ekibi Güçlü (uyarma için) ve zayıf (algılama için) lazerler arasındaki zaman farkı değiştirildi , Yeni bir elektron dağılım resmi var. Resim tamamlandığında, zaman farkını daha da arttırırlar ve sonunda bir dizi resim elde ederler, böylece Elektron pozisyonu ile uyarılmadan sonraki sürenin uzunluğu arasındaki ilişkiyi kurun .
Farklı zaman farkları altında malzemenin iç elektron dağılım diyagramı
Son olarak, her an oluşan fotoğrafları çekin Bir video yap , Yapabilirsin Heyecanlandıktan sonra uyarılmış durumdan temel duruma kadar tüm elektron sürecini görsel olarak gösterin .
Bu, insanların dolaylı spekülasyondan ziyade elektronik durum değişikliklerini doğrudan gözlemleyebildiği ilk kez. Lazer elektron uyarma görüntüleme, yarı iletken malzemelerdeki elektronların hareketini gözlemlemek için yeni bir araç sağlar. Bu şekilde, bilim adamları güneş pillerinin ve diğer yarı iletken cihazların çalışma mekanizmasına dair daha derin bir anlayışa sahip olacak ve daha yüksek performanslı ve daha düşük güç tüketimine sahip elektronik ürünler üretmeleri bekleniyor.
referans:
M. K. L. Man, et al, Yarı iletken heterojonksiyonlar boyunca elektronların hareketini görüntüleme, Nature Nanotechonolgy 2016. doi: 10.1038 / nnano.2016.183
