Поймали неуловимых: ученым удалось заснять движение электронов

С того момента, как в 1897 году английский физик Джозеф Томсон в ходе эксперимента по изучению катодных лучей открыл электроны, ученые пытались описывать движение элементарных частиц с помощью самых разнообразных способов. Из-за маленького размера и высокой скорости движения электронов эти субатомные частицы практически невозможно разглядеть, что серьезно затруднило их изучение в ХХ веке. Однако японские ученые наконец смогли увидеть электроны — данное исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

Изучению движения электронов препятствовало то, что невозможно одновременно обеспечить хорошее временное и пространственное разрешение. Профессор Майкл Мэн смог совместить технологии электронной микроскопии и импульсы фотонов ультрафиолетового излучения, что позволило группе специалистов по фемтосекундной спектроскопии из Окинавского института науки и технологии в Японии (ОИНТ) увидеть движение электронов внутри фотоэлектрического элемента.

Фемтосекундная спектроскопия занимается исследованием вещества с помощью сверхкоротких световых импульсов. Изначально была доступна лишь спектроскопия с пикосекундным разрешением, скорость импульса при котором составляет от 10⁻⁹ до 10⁻¹² секунд, в то время как фемтосекунда длится от 10⁻¹³ до 10⁻¹⁵ секунд.

Если осветить тот или иной материал, энергия фотонов — элементарных частиц электромагнитного излучения — поглощается электронами, в результате чего происходит их переход с нижнего энергетического уровня на более высокий. Если воздействие света длится очень недолго (несколько фемтосекунд), внутри вещества проходят быстрые изменения, однако материал так же быстро возвращается в исходное состояние. Чтобы такой прибор, как солнечная батарея, работал, энергию из материала необходимо извлекать в тот короткий период времени, когда энергетический уровень является более высоким. Для того чтобы разобраться, как именно видоизменяется вещество под воздействием света, исследователи подвергали его сверхкороткому интенсивному импульсу света, а затем измеряли его состояние, посылая более слабые импульсы света с небольшими задержками.

Один из авторов исследования, Кешав Дани, прокомментировал: «Мы хотели не только объяснять, как движутся электроны, фиксируя изменения в светопроницаемости и отражении,но и видеть сами электроны».

Когда первый «сгусток» безмассовой энергии — фотон — быстро нагревает материал, отражательная способность следующего фотона меняется. Затем вещество остывает, и отражение становится таким же, как до нагревания. Эти различия указали ученым на динамику наблюдаемого явления. «Проблема заключалась в том, что мы пытались интерпретировать полученные данные и найти объяснение происходящему, тогда как непосредственно движение электронов не наблюдалось. То есть мы просто создавали модель, объясняющую результаты эксперимента», — добавил Дани.

Тогда команда исследователей нашла способ визуализировать движение электронов в полупроводнике. «Когда световой импульс попадает на материал, он выбивает часть электронов, и с помощью электронного микроскопа мы смогли отследить их, — рассказал Мэн. — Если провести такую операцию несколько раз, с многими фотонами, можно постепенно получить изображение того, как распределяются электронов в веществе». То есть, если собрать и «сшить» все снимки, полученные с электронного микроскопа, получится видеоролик, на котором видно движение элементарных частиц. Получение ряда таких снимков становится возможным, если изменить интервал задержки времени между импульсами.

«Мы сделали видео сугубо фундаментального процесса. Не раз ученые представляли, что же происходит внутри фотоэлектрического элемента, а теперь мы можем рассмотреть их движение буквально по кадрам. Это новый шаг к пониманию динамики электронов в полупроводниках», — поделился Дани.

Открытие позволяет по-новому взглянуть на природу элементарных частиц и, возможно, поможет в будущем улучшить или изменить способы функционирования солнечных батарей и электрических приборов, а значит, создать более совершенные технологические устройства.