Plasma's - hete gassen bestaande uit chaotisch bewegende elektronen, ionen, atomen en moleculen - omvatten het interieur van sterren, maar wetenschappers kunnen ze kunstmatig maken met behulp van speciale apparatuur in het laboratorium. Als een plasma in contact komt met een vaste stof, zoals de wand van de laboratoriumapparatuur, onder bepaalde omstandigheden, de wand is fundamenteel en blijvend veranderd:Atomen en moleculen uit het plasma kunnen zich op de vaste stof afzetten, of energetische plasma-ionen kunnen atomen uit de vaste stof slaan, en daardoor het oppervlak vervormen of zelfs vernietigen. Een team van het Institute of Theoretical Physics and Astrophysics van de Kiel University (CAU) heeft nu een verrassend nieuw effect ontdekt waarbij de elektronische eigenschappen van het vaste materiaal, zoals de elektrische geleidbaarheid, kan worden veranderd door ioneninslag in een gecontroleerde, extreem snelle en omkeerbare manier. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Al meer dan 50 jaar, wetenschappers uit de plasmafysica en materiaalkunde hebben de processen op het grensvlak tussen plasma's en vaste stoffen onderzocht. Echter, tot voor kort werden de processen die plaatsvinden in de vaste stof alleen op een vereenvoudigde manier beschreven. Dus, nauwkeurige voorspellingen zijn niet mogelijk geweest, en nieuwe technologische toepassingen worden meestal met vallen en opstaan ​​gevonden.

Kiel-wetenschappers onderzoeken ook al vele jaren het grensvlak tussen plasma en vaste stof, het ontwikkelen van nieuwe experimentele diagnostiek, theoretische modellen en technologische toepassingen. Maar in hun recent gepubliceerde studie, het onderzoeksteam onder leiding van professor Michael Bonitz bereikte een nieuw niveau van simulatienauwkeurigheid. Ze onderzochten de processen in de vaste stof met een hoge temporele resolutie en konden in realtime observeren hoe vaste stoffen reageren wanneer ze worden gebombardeerd met energetische plasma-ionen.

Om deze ultrasnelle processen op de schaal van enkele femtoseconden te beschrijven, een quadriljoenste van een seconde, het team paste precisie veeldeeltjes toe, voor het eerst kwantummechanische simulatiemethoden. "Het bleek dat de ionen de elektronen in de vaste stof aanzienlijk kunnen prikkelen. twee elektronen kunnen een enkele roosterpositie innemen, en vormen zo een zogenaamde dubbel, ", legt Bonitz uit. Dit effect komt voor in bepaalde nanostructuren, bijvoorbeeld, in zogenaamde grafeen nanoribbons. Dit zijn strips gemaakt van een enkele laag koolstofatomen, die mogelijke toepassingen hebben in nano-elektronica vanwege hun unieke mechanische en elektrische eigenschappen die een extreem hoge flexibiliteit en geleidbaarheid omvatten. Door de gecontroleerde productie van dergelijke doubletten, het kan mogelijk worden om de eigenschappen van dergelijke nanoribbons op een gecontroleerde manier te veranderen.

"In aanvulling, we konden voorspellen dat dit effect ook kan worden waargenomen in optische roosters in ultrakoude gassen, "zei Bonitz. Dus, de resultaten van de Kiel-wetenschappers zijn ook van belang, zelfs buiten de grenzen van het veld van plasma-vaste stof interactie. Nutsvoorzieningen, de natuurkundigen zoeken naar de optimale omstandigheden waaronder het effect ook experimenteel kan worden geverifieerd in plasma's die in het laboratorium zijn gemaakt.