Физики впервые сняли движение электронов в графене

Физики из Регensбургского университета и Университета Филиппа в Марбурге впервые визуализировали движение электронов в графене с разрешением, позволяющим следить за изменениями в течение одного цикла световой волны. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Метод позволяет не только наблюдать перемещение электронов, но и отслеживать изменения их распределения по энергии и импульсу под действием сильного электромагнитного поля. Раньше возможности наблюдать такие процессы в реальном времени были ограничены.

Инфракрасные и ультрафиолетовые импульсы

Графен — это один слой атомов углерода, уложенных в соты. Его давно изучают из-за необычных электрических, оптических и механических свойств. При определённых условиях электроны в графене ведут себя как релятивистские частицы, поэтому он удобен для исследования явлений, которые трудно увидеть в других веществах.

Немецкие исследователи приводили электроны в контролируемое движение интенсивными импульсами инфракрасного света частотой 30 ТГц. Поведение электронов затем фиксировали ультракороткими импульсами экстремального ультрафиолета. Так получилась серия снимков, показывающих изменения электронной структуры материала.

Главное достижение команды — прямая визуализация туннелирования Ландау — Зенера — Майораны (ЛЗМ). Это квантовое явление, при котором электроны переходят между энергетическими зонами под действием сильного электрического поля. В эксперименте распределение электронов сначала смещалось в определённом направлении, затем деформировалось и становилось вытянутым, эллиптическим, а со временем проявлялись эффекты рассеяния. Метод охватывает всю первую зону Бриллюэна, а доступный диапазон наблюдений вырос более чем в сто раз.

Что это даст

Лучшее понимание того, как свет влияет на движение электронов, может помочь в разработке новых электронных и оптоэлектронных устройств. Одно из самых перспективных направлений — электроника световых волн, где сигналами и процессами управляют специально сформированные импульсы света. В будущем это может позволить создавать схемы, работающие намного быстрее традиционных.