Zvětšit obrázek

Zběsilé elektrony v křemíku. Kredit: Stephen Leone/ Attosecond Physics

Silicon Valley a spolu s ním prakticky celý polovodičový průmysl planety životně závisejí na sklonu elektronů křemíku nechat se vykopnout z valenčního pásu, kde krouží kolem atomových jader křemíku; přes zakázaný pás, který musejí překonat; aby se dostaly do vodivostního pásu, kde si volně běhají, vodí elektrický proud a přenášejí digitální informace, co utvářejí náš moderní věk.

Zvětšit obrázek

Steve Leone vlevo. Kredit: Robert Sanders/ UC Berkeley.

Právě na tyhle elektrony se zaměřil mezinárodní tým fyziků a chemiků, kterému šéfoval Stephen Leone z Kalifornské univerzity v Berkeley. Povedlo se jim vůbec poprvé zachytit nesmírně krátký okamžik, v němž elektron zběsile přeskakuje zakázaný pás a stává se dobrodruhem na volné noze. Klíčovou roli v jejich výzkumu publikovaném časopisem Science sehrál attosekundový laser, jehož pulsy se pohybují v řádu 10 na mínus 18, tedy triliontin sekundy.

Femtosekundové lasery nedokázaly přeskoky elektronů přes zakázaný pás v křemíku rozlišit. Experimenty s attosekundovým XUV spectroscopy laserem teď ukázaly, že tyto přeskoky elektronům zaberou méně než 450 attosekund. Leone k tomu podotýká, že už uplynulo více než století od objevu, že se některé materiály stávají vodivými působením světla. A až teď se Leonemu a spol. podařilo tento jev detailně zobrazit v Laboratoři attosekundové fyziky v Berkeley.

Zvětšit obrázek

Struktura energetických pásů v polovodiči. Kredit: Pieter Kuiper, Wikimedia Commons.

V polovodičových materiálech jsou elektrony původně vázané u atomových jader a nemohou si dělat co by chtěly, natož vést elektrický proud. Když se na polovodič posvítí anebo se do něj třeba pustí elektrický proud, tak některé z těchto spořádaných elektronů dostanou kopanec energie, nabudí se a mohou udělat kvantový skok přes zakázaný pás do vodivého pásu. Díky osvobozeným elektronům se z polovodiče najednou stane vodič. Tohle chování křemíku vedlo k vynálezu křemíkových tranzistorů, na kterých stojí naše digitální současnost.

Zvětšit obrázek

Série snímků zachycujících energie elektronu při přeskoku přes zakázaný pás. Červeně elektrony vázané k atomovým jádrům, oranžově a žlutě elektrony ve vodivém pásu. Kredit: NIST, Wikimedia Commons.

Leone a spol. nejprve ozářili krystal křemíku velice krátkými laserovými impulsy viditelného světla. Pak pomocí XUV laseru, jehož pulsy trvaly 10 až 18 attosekund, získali sérii snímků celého procesu přeskoku elektronů přes zakázaný pás. Získaná data poté důkladně analyzovali na superpočítačích Univerzity v japonské Tsukubě a centra Molecular Foundry Kalifornské univerzity v Berkeley. Superpočítače jim modelovaly jednak proces excitace elektronu a pak také interakci attosekundových pulsů s krystalem křemíku.

Luxusní rozlišení attosekundové technologie, s níž lze analyzovat doopravdy extrémně krátké události, bude teď možné využít v řadě dalších podobných případů. Vědci se už těší na analýzy nesmírně rychlých elektronických procesů v pevných materiálech, které až doposud nebyly experimentálně dosažitelné. Jistě se dozvíme spoustu dalších zajímavých věcí.

Video:Berkeley Lab scientist Stephen Leon defines the term attosecond. Kredit: Berkeley Lab.

Literatura

UC Berkeley News 11. 12. 2014, Science 346: 1348-1352, Wikipedia (Band gap, Semiconductor).