کشف ویژگی های بلورهای کامل

در برخورد با ابزارهای الکترونیکی مینیاتوری

حرکت سریع الکترون‌ها در یک بلور بدون اثراتش در ادامه حرکت باقی نمی‌ماند. محققان الکترون‌های فوق‌العاده سریع را در یک بلور گالیم آرسناید آزمایش کردند.


برای مدت کوتاهی میدان الکتریکی بسیار قوی را به نمایش گذاشتند. این آزمایش مفهومی جدید برای اولین بار حرکت جمعی و نوسانی الکترون‌ها را در فرکانس‌های فوق العاده بالا از خود نشان دادند. این خود به حرکتی به‌نام حرکت توده‌ای این ذرات منجر می‌شود. این اثر کشف شده می‌تواند نقش مهمی در تماس با ابزار مینیاتوری الکترونیکی بازی کند.

به گزارش ساینس دیلی (Science Daily) محققان آلمانی پیتر گال (Peter Gaal)، ویلهلم کوهن(Wilhelm Kuehen)، کلاؤس ریمان (Klaus Reimann)، میشل وورنر (Micheal Worner)، و توماس الااسر (Thomas Elsaesser) از «موسسه‌ی ماکس بورن» (Max Born Institude) و رودولف هی (Rudolf Hey)از «موسسه‌ی علوم طبیعی پل درود» (the pual Drude institude in nature )این آزمایش را انجام دادند.

گالیم آرسناید (GaAs) یکی از مهم‌ترین مواد در نیم‌رساناهای اُپتوالکترونیک (Optoelectronics) است {الکترونیک نوری}. یک بلور GaAs متشکل است از شبکه‌ی منظم گالیم و اتم‌های آرسناید به‌طوری‌که اتم‌های گالیم بارهای الکتریکی (کم) مثبت و آرسناید بار منفی دارند. یک الکترون به‌دلیل حرکت آرامی که در بلور دارد، به اعوجاج شبکه‌ی بلوری منجر می‌شود. بار الکتریکی منفی الکترون، اتم‌های باردار شده‌ (منفی) را دفع و باردارهای باردار شده‌ی مثبت را جذب می‌کند.

همین مسأله نوسان‌های اتمی‌ را حول مرکز جرم شان سبب می‌شود: ارتعاش‌های شبکه به‌نام فونون (Phonon)، در شبکه بلوری گسترش می‌یابند. میشل ورنر توضیح می‌دهد که «این شبیه تشکی است که توپ سنگین رولینگ روی‌ آن حرکت کند. فنرهای فلزی تشک به‌همدیگر نزدیک و متراکم شده و سپس سر جای خود باز می‌گردند. با تولید چنین ارتعاش‌هایی الکترون‌ها انرژی از دست داده و در نتیجه آرام‌تر حرکت خواهند کرد. این شتاب کاهیده چیزی جز تشدید الکتریکی نیست! الکترون‌ها یا سرعت ثابت در شبکه منتقل می‌شوند. این تصویر فیزیکی براساس قانون بسیار قدیمی فیزیک به‌نام اُهم است.

حالا اگر همین الکترون‌ها با سرعت‌های بالایی حرکت کنند (با اعمال میدان الکتریکی بسیار قوی)، بسیار بیش از الکترون‌های مجاور خود شتاب‌دار می‌شوند و شرایط جدیدی بر شبکه‌‌ی بلوری حکم‌فرما خواهد بود. محققان در برلین از همین میدان قوی 2 میلیون ولت بر متری برای شتاب دادن به الکترون‌ها استفاده کردند که فقط ظرف مدت بی‌نهایت کوتاه 0.3 پیکو ثانیه(!) اعمال شد (هر پیکو ثانیه، برابر است با یک میلیون میلیونیم ثانیه).

این حرکت سریع را با زنش‌های (پالس‌ها) فراکوتاه نوری در طیف فروسرخ می‌توان مشاهده کرد. برخلاف حرکت انتقالی با سرعت ثابت که در میدان‌های ضعیف مشاهده‌ می‌شود، در میدان‌های قوی، سرعت الکترون‌های شتاب‌دار به طور متناوب بین مقدار‌های بالا و پایین در نوسان است. فرکانس این نوسان‌ها در سرعت دقیقا برابر است با بالاترین فرکانس‌‌هایی که اتم‌ها می‌توانند ارتعاش کنند. به اصطلاح فرکانس «فونون‌های اُپتیکی طولی» (Longitudinal Optical phonons).

محاسبات نظری به‌طور کمی این رفتار تجربی را توجیه می‌کند. سرپرست این تیم تحقیقاتی (MBI) توماس الااسر می‌گوید:«الکترون‌هایی که شتاب داده شده اند، ارتعاش اتمی را موجب شده و شتاب کاهش یافته و با ارتعاش دوباره شتاب می‌گیرند. همین عمل‌کرد در گذار بار در نانوساختارها بسیار مهم است.» در چنین نانوساختارهایی میدان‌های الکتریکی مشابهی به‌دلیل ابعاد کوچک آن افزایش می‌یابند. الااسر می‌افزاید :«نتایج ما برای بهینه کردن انتقال مشخصه‌های نیم رسانای نانوساختارها مهم است.»