Физики открывают новый эффект взаимодействия плазмы с твердым телом.

Плазма – горячий ионизированный газ, состоящий из хаотично движущихся электронов, ионов, атомов и молекул. Плазма – это материя, из которой состоят звезды, но ученые могут создавать их искусственно, используя специальное лабораторное оборудование. Когда плазма вступает в контакт с твердым телом, например, со стенкой лабораторного оборудования, при определенных обстоятельствах стенка изменяется на фундаментальном уровне и навсегда: атомы и молекулы из плазмы могут осаждаться на твердом материале, ионы активной плазмы могут выбивать атомы из твердого тела и тем самым деформировать или даже разрушать его поверхность. Команда из Института теоретической физики и астрофизики при Кильском университете (CAU) в настоящее время обнаружила удивительный новый эффект, в котором электронные свойства твердого материала, такие как его электропроводность, могут чрезвычайно быстро и обратимо изменяться при контролируемом воздействии ионов.

На протяжении более 50 лет ученые, исследующие физику плазмы и материаловедение, изучали процессы на границе раздела плазмы и твердого тела. Однако до недавнего времени изменения, происходящие внутри твердого тела, были описаны только в упрощенном виде. Таким образом, точные прогнозы были невозможны, а новые технологические применения обычно находились методом экспериментального тыка.

Кильские ученые также много лет посвятили изучению границы раздела плазма-твердое тело, разрабатывая новые экспериментальные методы диагностики, теоретические модели и технологические применения. Но в своей недавно опубликованной статье исследовательская группа во главе с профессором Майклом Бонитцем достигла нового уровня точности моделирования. Они исследовали процессы в твердом теле с высоким временным разрешением и могли наблюдать в реальном времени, как твердые вещества реагируют, когда они бомбардируются ионами плазмы высокой энергии.

Чтобы описать эти сверхбыстрые процессы в масштабе нескольких фемтосекунд, одной квадриллионной доли секунды, команда впервые применила точные многочастичные методы квантово-механического моделирования. «Оказалось, что ионы могут сильно возбуждать электроны в твердом теле. Как следствие, два электрона могут занимать одну позицию решетки и, таким образом, образовывать так называемый дублон», — пояснил Бонитц. Этот эффект возникает в определенных наноструктурах, например, в графеновых нанолентах. Это полоски, сделанные из одного слоя атомов углерода, применимы в наноэлектронике благодаря своим уникальным механическим и электрическим свойства: чрезвычайно высокой гибкостьи и проводимости. Благодаря контролируемому производству таких дублонов может стать возможным изменять свойства таких нанолент заранее заданным образом.

«Кроме того, мы смогли предсказать, что этот эффект также может наблюдаться в оптических решетках в ультрахолодных газах», — сказал Бонитц. Таким образом, результаты кильских ученых также важны даже за пределами сферы взаимодействия плазмы и твердого тела. Сейчас физики ищут оптимальные условия, при которых эффект может быть проверен экспериментально в плазме, созданной в лаборатории.