فيزيائيون ألمان يصوّرون حركة الإلكترونات في الغرافين لأول مرة

نجح فريق من الفيزيائيين في جامعة ريغنسبورغ وجامعة فيليب في ماربورغ بألمانيا في تصوير حركة الإلكترونات داخل الغرافين بدقة تتيح تتبّع التغيرات خلال دورة واحدة لموجة ضوئية. ونشر الباحثون نتائجهم في مجلة Nature.

تتيح الطريقة الجديدة مراقبة انتقال الإلكترونات، إضافة إلى تتبّع التغيرات في توزيعها الطاقي وزخمها تحت تأثير مجال كهرومغناطيسي قوي. وكانت إمكانات رصد هذه العمليات في الزمن الحقيقي محدودة حتى الآن.

نبضات تحت حمراء وأشعة فوق بنفسجية متطرفة

الغرافين مادة تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة على شكل خلية نحل، ويحظى باهتمام واسع منذ سنوات بفضل خصائصه الكهربائية والبصرية والميكانيكية الاستثنائية. وفي ظروف معينة تتصرف الإلكترونات فيه كأن لها خصائص جسيمات نسبية، ما يجعله بيئة مثالية لدراسة ظواهر يصعب رصدها في مواد أخرى.

استخدم الباحثون نبضات قوية من الضوء تحت الأحمر بتردد 30 تيراهرتز لتحريك الإلكترونات بشكل مضبوط، ثم سجّلوا سلوكها بنبضات فائقة القصر من الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة. وأنتج ذلك لقطات متتابعة تُظهر تغيّر البنية الإلكترونية للمادة.

أهم إنجاز للفريق هو التصوير المباشر لظاهرة نفق لانداو-زينر-ماجورانا، وهي ظاهرة كمّية تنتقل فيها الإلكترونات بين نطاقات طاقة مختلفة تحت تأثير مجال كهربائي قوي. ولاحظ العلماء أن توزيع الإلكترونات ينزاح أولاً في اتجاه معين، ثم يتشوه ليتخذ شكلاً بيضاوياً ممتداً، وتظهر مع الوقت آثار التشتت. وتتيح الطريقة رصد ديناميكيات الإلكترونات في منطقة بريلوان الأولى بأكملها، مع توسيع نطاق الرصد المتاح أكثر من مئة مرة مقارنة بالإمكانات السابقة.

الفوائد العملية

قد يساعد فهم أفضل لتأثير الضوء في حركة الإلكترونات على تصميم أجهزة إلكترونية وإلكترونية ضوئية جديدة. ومن أبرز الاتجاهات الواعدة إلكترونيات موجات الضوء، حيث تُضبط الإشارات والعمليات الإلكترونية بنبضات ضوئية مشكّلة بدقة. وقد يتيح ذلك مستقبلاً بناء دوائر تعمل بسرعات تفوق كثيراً قدرات الحلول التقليدية.