Němečtí fyzici vytvořili pouhé tři atomy silná vlákna, která se působením laserového pulzu mění z izolátoru na elektrický vodič a obráceně. Tým prokázal, že fázový přechod může proběhnout tak rychle, jak to jen kvantová mechanika dovoluje. To je něco, co si nikdo doteď neuměl ani představit. Nová technika bude užitečná v mnoha oborech, třeba i při studiu samouspořádávání proteinů.
Fázové přechody jsou všudypřítomné ve všech formách hmoty. I ty nejstabilnější stavy se mohou měnit, pokud se do určitého systému přidá energie nebo se z něj ubere. Triviálním příkladem je změna ledu na kapalnou vodu při zahřívání systému. Daleko méně výrazné fázové přechody mohou probíhat i v rámci jednoho stavu. Například železo v pevné fázi může existovat v několika krystalických strukturách. Rychlost, jakou mohou fázové přechody probíhat, závisí standardně na tom, jak rychle může energie vstupovat do krystalické mřížky a stimulovat náhodný pohyb atomů, například při rozptylu elektronů.
Podle předcházející práce německých fyziků z univerzity v Duisburgu může k takovým jevům docházet v rozmezí 2 – 5 ps v objemovém materiálu. V blízkosti povrchů však fázové přechody trvají déle, a to kvůli slabé vazbě mezi objemovými a povrchovými vibračními módy.
V nové práci však zmíněná vědecká skupina spolu s dalšími kolegy ukázala, že i povrchové fázové přechody mohou probíhat velkou rychlostí. Tým studoval indiové atomy, adsorbované na křemíkovém povrchu. Při vysokých teplotách se atomy samouspořádávají do kovových vodivých pásků širokých přibližně tři atomy, zatímco při teplotách nižších než 125 K se vodič přeruší a povrch se stane izolátorem.
Fyzici nejdříve vzorek india na křemíku chladili na 30 K a přitom měřili elektronové difrakční obrazce nevodivého povrchu. Potom ozařovali povrch laserovými pulzy v blízké infračervené oblasti, a povrch tak zahřívali. Po proměnné časové prodlevě použili elektronové pulzy, aby viděli, jak se změnily difrakční obrazce. Pro časové intervaly delší než 350 fs se obrazce, jež jsou charakteristické pro izolační povrch, změnily na obrazce odpovídající kovovým vodičům.
Z výsledků plyne odpověď na otázku, jak rychle se atomy pohybují a jak velké je jejich zrychlení během tohoto excitačního mechanismu. Zrychlení je přibližně bilionkrát větší než zrychlení toho nejvýkonnějšího závodního automobilu. Velikost tohoto zrychlení roste s výkonem laserového pulzu až po určitou mez, nad níž už zůstává konstantní. Jde o takzvaný kvantový limit, kdy podle zákonů kvantové mechaniky už systém nemůže reagovat rychleji.
Počítačové modelování, které provedli teoretici z univerzity v Paderbornu, napovídá, že elektrony india jsou během procesu ohřívání excitovány světlem na vyšší energetické hladiny. Přitom se zaplňují elektronové stavy, které zeslabují nebo narušují některé vazby a zesilují do té doby neexistující vazby. Tím je řízen pohyb atomů během fázového přechodu. Navíc, jak se atomy pohybují, mění se elektronová pásová struktura systému elektronů. Je neuvěřitelné, že se všechno děje, ještě když jsou atomy chladné. Mřížka se zahřívá šest až desetkrát pomaleji.
Teoretici spočítali veškerou potenciální energii systému pro různé elektronové excitace. Z toho vypočítali dobu přeměny z nevodivého do vodivého kovového stavu a tyto hodnoty souhlasí s hodnotami experimentálně naměřenými. Po uskutečnění přechodu postrádá ochlazený systém dostatek aktivační energie nutné pro návrat do nevodivého stavu. Zůstává tak po dobu asi 10 ns v metastabilním kovovém stavu, což v kontextu takového atomového systému považují fyzici za „celou věčnost“. Navzdory tomuto zdržení však může být systém považován za nejrychlejší elektronický přepínač, který byl kdy pozorován. Hovořit o jeho praktických aplikacích by však ještě nebylo příliš seriózní, neboť jde zatím stále o základní výzkum.
Řadu významných fyziků však tyto výsledky ohromily. Podle některých názorů jde o pravděpodobně nejlepší a nejzajímavější práci v oboru ultrarychlé dynamiky v povrchových systémech. Vědci mohou pozorovat atomy a jejich pohyb v nejrychlejší možné časové škále a zároveň sledovat, jak jejich přemisťování ovlivňuje elektronické vlastnosti materiálu. To je podle Bradleyho Siwicka z kanadské McGill University významným krokem kupředu. Jde však o pouhou špičkou ledovce, podobné experimenty umožní sledovat i jiné fyzikální děje – jako třeba strukturu proteinů v krystalu jako funkci času – a určit, jak tyto proteiny plní svoji funkci na atomové úrovni.
Původní práce byla uveřejněna v časopise Nature.
Mohlo by vás zajímat:
Nový
materiál, který odolává vodě
Vědci
prokázali existenci nové kvazičástice
Vědci
vyvinuli metodu, jak těžit uran z mořské vody
Nové
využití fotoakustického jevu