23.08.2022 - Technische Universität Wien

Le mouvement lent de l'électron : Comment les différents matériaux réagissent-ils à l'impact des ions ?

Voyage en une femtoseconde à travers le graphène

Lorsque des ions pénètrent dans un matériau, des processus très complexes se produisent - si rapides qu'ils ne pouvaient guère être analysés jusqu'à présent. Mais des mesures sophistiquées l'ont désormais rendu possible.

Comment les différents matériaux réagissent-ils à l'impact des ions ? C'est une question qui joue un rôle important dans de nombreux domaines de recherche - par exemple dans la recherche sur la fusion nucléaire, lorsque les parois du réacteur de fusion sont bombardées par des ions à haute énergie, mais aussi dans la technologie des semi-conducteurs, lorsque les semi-conducteurs sont bombardés par des faisceaux d'ions pour produire de minuscules structures.

Le résultat de l'impact d'un ion sur un matériau est facile à étudier rétrospectivement. Cependant, il est difficile de comprendre la séquence temporelle de tels processus. Un groupe de recherche de l'Université technique de Vienne a réussi à analyser, à l'échelle d'une femtoseconde, ce qui arrive aux particules individuelles impliquées lorsqu'un ion pénètre dans des matériaux tels que le graphène ou le bisulfure de molybdène. Une analyse minutieuse des électrons émis au cours de ce processus était cruciale : Ils peuvent être utilisés pour reconstruire la séquence temporelle des processus - en quelque sorte, la mesure devient un "ralenti électronique". Les résultats viennent d'être publiés dans "Physical Review Letters" et ont même été retenus comme "suggestion de la rédaction".

Des particules chargées de vingt à quarante fois

Le groupe de recherche du professeur Richard Wilhelm à l'Institut de physique appliquée de l'Université technique de Vienne travaille avec des ions très chargés. Les atomes de xénon, qui possèdent 54 électrons à l'état neutre, sont dépouillés de 20 à 40 électrons, et les ions xénon fortement chargés positivement qui restent sont ensuite dirigés sur une fine couche de matériau.

"Nous sommes particulièrement intéressés par l'interaction de ces ions avec le matériau graphène, qui est constitué d'une seule couche d'atomes de carbone", explique Anna Niggas, premier auteur de l'article actuel. "En effet, nous savions déjà, grâce à des expériences précédentes, que le graphène possède des propriétés très intéressantes. Le transport des électrons dans le graphène est extrêmement rapide."

Les particules réagissent si rapidement qu'il n'est pas possible d'observer directement les processus. Mais il est possible d'utiliser des astuces particulières : "Au cours de ces processus, un grand nombre d'électrons est généralement libéré également", explique Anna Niggas. "Nous avons pu mesurer très précisément le nombre et l'énergie de ces électrons, comparer les résultats avec les calculs théoriques apportés par nos coauteurs de l'université de Kiel, et cela nous a permis de démêler ce qui se passe à l'échelle de la femtoseconde."

Un voyage d'une femtoseconde à travers le graphène

Tout d'abord, l'ion hautement chargé s'approche de la fine couche de matériau. En raison de sa charge positive, il génère un champ électrique et influence ainsi les électrons du matériau - déjà avant l'impact, les électrons du matériau se déplacent en direction du site de l'impact. À un moment donné, le champ électrique devient si fort que les électrons sont arrachés du matériau et capturés par l'ion hautement chargé. Immédiatement après, l'ion frappe alors la surface et pénètre dans le matériau. Il en résulte une interaction complexe ; l'ion transfère beaucoup d'énergie au matériau en peu de temps et des électrons sont émis.

Si des électrons manquent dans le matériau, il reste une charge positive. Toutefois, celle-ci est rapidement compensée par des électrons provenant d'autres zones du matériau. Dans le graphène, ce processus est extrêmement rapide ; de forts courants se forment dans le matériau à l'échelle atomique pendant un court instant. Dans le disulfure de molybdène, ce processus est un peu plus lent. Dans les deux cas, cependant, la distribution des électrons dans le matériau influence à son tour les électrons qui ont déjà été libérés du matériau - et pour cette raison, s'ils sont soigneusement détectés, ces électrons émis fournissent des informations sur la structure temporelle de l'impact. Seuls les électrons rapides peuvent quitter le matériau, les électrons plus lents tournent autour, sont recapturés et ne finissent pas dans le détecteur d'électrons.

L'ion n'a besoin que d'environ une femtoseconde pour pénétrer une couche de graphène. Les processus sur des échelles de temps aussi courtes pouvaient auparavant être mesurés avec des impulsions laser ultracourtes - mais dans ce cas, elles déposaient beaucoup d'énergie dans le matériau et changeaient complètement le processus. "Avec notre méthode, nous avons trouvé une approche qui permet d'obtenir de nouvelles informations tout à fait fondamentales", explique Richard Wilhelm, responsable d'un projet FWF START à la TU Wien. "Les résultats nous aident à comprendre comment la matière réagit à une exposition à un rayonnement très court et très intense - non seulement aux ions, mais aussi, à terme, aux électrons ou à la lumière."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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