Plasma – heta gaser som består av kaotiskt rörliga elektroner, joner, atomer och molekyler - omfattar det inre av stjärnor, men forskare kan skapa dem på konstgjord väg med hjälp av specialutrustning i laboratoriet. Om en plasma kommer i kontakt med ett fast ämne, såsom väggen på labbutrustningen, under vissa omständigheter, väggen förändras fundamentalt och permanent:Atomer och molekyler från plasman kan avsättas på det fasta materialet, eller energiska plasmajoner kan slå ut atomer ur det fasta ämnet, och därigenom deformerar eller till och med förstör dess yta. Ett team från Institutet för teoretisk fysik och astrofysik vid Kiel University (CAU) har nu upptäckt en överraskande ny effekt där de elektroniska egenskaperna hos det fasta materialet, såsom dess elektriska ledningsförmåga, kan ändras genom jonpåverkan i en kontrollerad, extremt snabbt och reversibelt sätt. Deras resultat publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev .

I mer än 50 år, forskare från områdena plasmafysik och materialvetenskap har undersökt processerna i gränsytan mellan plasma och fasta ämnen. Dock, Tills nyligen har de processer som sker inuti det fasta ämnet beskrivits endast på ett förenklat sätt. Således, exakta förutsägelser har inte varit möjliga, och nya tekniska tillämpningar hittas vanligtvis via försök och fel.

Forskare från Kiel har också undersökt plasma-solid-gränssnittet i många år, utveckla ny experimentell diagnostik, teoretiska modeller och tekniska tillämpningar. Men i deras nyligen publicerade studie, forskargruppen ledd av professor Michael Bonitz uppnådde en ny nivå av simuleringsnoggrannhet. De undersökte processerna i det fasta ämnet med hög tidsupplösning och kunde i realtid observera hur fasta ämnen reagerar när de bombarderas med energiska plasmajoner.

För att beskriva dessa ultrasnabba processer på en skala av några femtosekunder, en kvadrilliondels sekund, teamet tillämpade precision med många partiklar, kvantmekaniska simuleringsmetoder för första gången. "Det visade sig att jonerna avsevärt kan excitera elektronerna i det fasta ämnet. Som en konsekvens av detta, två elektroner kan uppta en enda gitterposition, och bildar därigenom en så kallad dubbellon, " förklarade Bonitz. Denna effekt förekommer i vissa nanostrukturer, till exempel, i så kallade grafennanorband. Dessa är remsor gjorda av ett enda lager av kolatomer, som har möjliga tillämpningar inom nanoelektronik på grund av sina unika mekaniska och elektriska egenskaper som inkluderar extremt hög flexibilitet och konduktivitet. Genom den kontrollerade produktionen av sådana dubloner, det kan bli möjligt att ändra egenskaperna hos sådana nanoband på ett kontrollerat sätt.

"Dessutom, vi kunde förutsäga att denna effekt också kan observeras i optiska gitter i ultrakalla gaser, sa Bonitz. Alltså, Kiel-forskarnas resultat är också av betydelse även utanför gränserna för området plasma-fast interaktion. Nu, fysikerna letar efter de optimala förhållanden under vilka effekten även kan verifieras experimentellt i plasma som skapats i laboratoriet.