Presseaussendung der TU Wien vom 22.08.2022

Wenn Ionen ein Material durchdringen, laufen hochkomplexe Prozesse ab – so schnell, dass man sie bisher kaum analysieren konnte. Aber durch ausgeklügelte Messungen gelang das nun.

Wie reagieren verschiedene Materialien auf den Einschlag von Ionen? Das ist eine Frage, die in vielen Forschungsbereichen eine wichtige Rolle spielt – etwa bei der Kernfusionsforschung, wenn die Wände des Fusionsreaktors von energiereichen Ionen bombardiert werden, aber auch in der Halbleitertechnik, wenn man Halbleiter mit Ionenstrahlen beschießt um winzige Strukturen herzustellen.

Das Resultat eines Ioneneinschlags auf einem Material ist nachträglich leicht zu untersuchen. Schwierig ist es aber, den zeitlichen Ablauf solcher Prozesse zu verstehen. An der TU Wien gelang es nun, auf einer Zeitskala von einer Femtosekunde zu analysieren, was mit den einzelnen beteiligten Teilchen passiert, wenn ein Ion Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid durchdringt. Entscheidend war dabei eine sorgfältige Analyse der Elektronen, die dabei emittiert werden. Aus ihnen kann man den zeitlichen Ablauf des Prozesses rekonstruieren – so wird die Messung gewissermaßen zur „Elektronen-Zeitlupenaufnahme“. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert und sogar als „Editors‘ Suggestion“ auserkoren.

Zwanzig- bis vierzigfach geladene Teilchen

In der Forschungsgruppe von Prof. Richard Wilhelm am Institut für Angewandte Physik der TU Wien arbeitet man mit hochgeladenen Ionen. Xenon-Atomen, die im neutralen Zustand 54 Elektronen haben, werden zwischen 20 und 40 Elektronen entrissen, die stark positiv geladenen Xenon-Ionen, die übrigbleiben, werden dann auf eine dünne Materialschicht geschossen.

„Besonders interessieren wir uns für die Wechselwirkung dieser Ionen mit dem Material Graphen, das nur aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht“, sagt Anna Niggas, die Erstautorin des aktuellen Papers ist. „Wir wussten nämlich schon aus unseren früheren Experimenten, dass Graphen ganz besonders interessante Eigenschaften hat: Der Elektronentransport in Graphen ist extrem schnell.“

Die Teilchen reagieren so schnell, dass man die Vorgänge nicht direkt beobachten kann. Doch es gibt spezielle Tricks, die man anwenden kann: „Bei solchen Prozessen wird meist auch eine große Anzahl von Elektronen emittiert“, erklärt Anna Niggas. „Wir konnten die Anzahl und die Energie dieser Elektronen sehr genau messen, die Ergebnisse mit theoretischen Berechnungen vergleichen, die unsere Ko-Autoren von der Universität Kiel beisteuerten, und auf diese Weise konnten wir auf Femtosekunden-Skala entschlüsseln, was hier genau passiert.“

Femtosekunden-Reise durch das Graphen

Zunächst nähert sich das hochgeladene Ion der dünnen Materialschicht. Durch seine positive Ladung erzeugt es ein elektrisches Feld und beeinflusst dadurch die Elektronen des Materials – schon kurz vor dem Aufprall bewegen sich Elektronen des Materials in Richtung der Einschlagstelle. Irgendwann wird das elektrische Feld so stark, dass Elektronen aus dem Material herausgerissen und vom hochgeladenen Ion eingefangen werden. Unmittelbar darauf schlägt das Ion dann in der Oberfläche ein und durchdringt das Material. Dabei kommt es zu einer komplizierten Interaktion, das Ion überträgt in kurzer Zeit viel Energie auf das Material, dabei werden Elektronen fortgeschossen.

Wenn im Material Elektronen fehlen, bleibt dort positive Ladung zurück. Das wird allerdings rasch durch nachrückende Elektronen aus anderen Bereichen des Materials ausgeglichen. Bei Graphen ist dieser Prozess extrem schnell, innerhalb des Materials entstehen auf atomarer Skala kurzfristig starke Ströme. In Molybdändisulfid ist dieser Prozess etwas langsamer. In beiden Fällen beeinflusst die Verteilung der Elektronen im Material aber ihrerseits wieder die Elektronen, die schon zuvor aus dem Material herausgelöst wurden – und genau dadurch können sie dann, wenn man sie sorgfältig detektiert, Auskunft über die zeitliche Struktur des Einschlags liefern. Nur schnelle Elektronen können das Material verlassen, langsamere Elektronen kehren um, werden wieder eingefangen und landen nicht im Elektronendetektor.

Das Ion braucht nur rund eine Femtosekunde, um eine Graphen-Schicht zu durchdringen. Prozesse auf derart kurzen Zeitskalen konnte man bisher schon mit ultrakurzen Laserpulsen vermessen – doch die würden in diesem Fall viel Energie im Material deponieren und den Prozess völlig verändern.

„Wir haben mit unserer Methode einen Zugang gefunden, der ganz fundamentale neue Einblicke erlaubt“, sagt Richard Wilhelm, Leiter eines FWF START Projektes an der TU Wien. „Die Ergebnisse helfen uns zu verstehen, wie Materie auf sehr kurze und sehr intensive Strahlungseinwirkung reagiert – nicht nur auf Ionen, sondern letztlich auch auf Elektronen oder Licht.“

Die beschriebene Forschung wurde durch das „Innovative Projekte“ Programm und das Doktoratskolleg TU-D der TU Wien sowie den FWF gefördert. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
A. Niggas et al., Ion-induced surface charge dynamics in freestanding monolayers of graphene and MoS2 probed by the emission of electrons, PRL 129, 086802, 2022.

Externer Link: www.tuwien.at

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 16.08.2022

Supraleiter sind der Schlüssel für verlustfreien Stromfluss. Die Realisierung supraleitender Dioden ist allerdings erst kürzlich ein wichtiges Thema der Grundlagenforschung geworden. Internationalen Forschenden unter Mitwirkung des theoretischen Physikers Mathias Scheurer von der Uni Innsbruck ist nun ein Meilenstein gelungen: die Erzeugung eines supraleitenden Dioden-Effekts ohne externes Magnetfeld und damit der Beweis der Annahme, dass Supraleitung und Magnetismus koexistieren. Sie berichten darüber in Nature Physics.

Von einem supraleitenden Dioden-Effekt spricht man, wenn sich ein Material in einer Stromflussrichtung wie ein Supraleiter und in der anderen wie ein Widerstand verhält. Im Gegensatz zu einer konventionellen Diode weist eine solche supraleitende Diode einen komplett verschwindenden Widerstand und somit keinerlei Verluste in Durchlassrichtung auf. Dies könnte die Basis bilden für zukünftige verlustfreie Quanten-Elektronik. Den Dioden-Effekt zu erzeugen gelang Physikern vor etwa zwei Jahren erstmals, allerdings mit einigen grundlegenden Einschränkungen. „Der Effekt war damals zum einen sehr schwach, zum anderen wurde er durch ein externes Magnetfeld erzeugt, was in möglichen technologischen Anwendungen sehr ungünstig ist“, erläutert Mathias Scheurer vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. Die neuen, von experimentellen Physikern der renommierten US-amerikanischen Brown University durchgeführten Experimente, die in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics beschrieben werden, kommen ohne externes Magnetfeld aus. Neben den erwähnten anwendungsrelevanten Vorteilen bestätigen die Experimente eine These, die Mathias Scheurer bereits zuvor theoretisch aufgestellt hat: Nämlich, dass Supraleitung und Magnetismus in einem System, bestehend aus drei gegeneinander verdrehten Graphen-Schichten, koexistieren. Das System erzeugt also quasi selbst sein eigenes internes Magnetfeld, was einen Dioden-Effekt hervorruft. „Der Dioden-Effekt, den die Kollegen von der Brown University beobachten konnten, war zusätzlich sehr stark. Außerdem kann die Dioden-Richtung durch ein einfaches elektrisches Feld umgekehrt werden. Damit ist es gelungen, den Idealzustand eines supraleitenden Dioden-Effekts zu erzeugen“, verdeutlicht Mathias Scheurer, der in diesem Jahr einen hochdotierten ERC-Starting Grant für seine Forschungen zu zweidimensionalen Materialen, insbesondere von Graphen erhalten hat.

Wunderstoff Graphen

Auch der in Nature Physics beschriebene Dioden-Effekt wurde mit Graphen erzeugt, einem Material, das aus einer einzigen Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome besteht. In übereinandergelegten Schichten weist es vielversprechende Eigenschaften auf, unter anderem können drei gegeneinander verdrehten Graphen-Schichten elektrischen Strom verlustfrei leiten. Dass ein supraleitender Dioden-Effekt ohne externes Magnetfeld in diesem System existiert, hat auf die Erforschung des komplexen physikalischen Verhaltens von drei gegeneinander verdrehten Graphen-Schichten große Auswirkungen, da es die Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus demonstriert. Dies zeigt, dass der Dioden-Effekt nicht nur technologische Relevanz hat, sondern auch das Potential unser Verständnis grundlegender Vorgänge in der Vielteilchenphysik zu verbessern. Die theoretischen Grundlagen dazu konnten in einer weiteren hochrangigen Publikation bereits veröffentlicht werden.

Originalpublikation:
Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene.
Jiang-Xiazi Lin, Phum Siriviboon, Harley D. Scammell, Song Liu, Daniel Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, James Hone, Mathias S. Scheurer, J.I.A. Li
Nature Physics, August 2022.

Externer Link: www.uibk.ac.at