等離子體是一種由無序運(yùn)動(dòng)的電子、離子、原子和分子組成的熱氣體，它構(gòu)成了恒星的內(nèi)部，但科學(xué)家們可以在實(shí)驗(yàn)室中使用特殊設(shè)備人工制造它們。如果等離子體接觸到固體，如實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的壁面，在一定條件下，壁面會(huì)發(fā)生根本而永久的改變：等離子體中的原子和分子可以沉積在固體材料上，或者高能等離子離子可以將原子擊出固體，從而使其表面變形甚至破壞。來自基爾大學(xué)理論物理和天體物理研究所的一個(gè)研究小組最近發(fā)現(xiàn)了一種令人驚訝的新效應(yīng)：

博科園-科學(xué)科普：即固體材料的電子性質(zhì)，如導(dǎo)電性，可以通過離子沖擊以一種可控的、極快的和可逆的方式改變。其研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。50多年來等離子體物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們一直在研究等離子體與固體之間的界面過程。然而直到最近，在固體內(nèi)部發(fā)生的過程都只是以一種簡(jiǎn)化的方式進(jìn)行描述。因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是不可能的，新技術(shù)應(yīng)用通常是通過反復(fù)試驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)。Kiel的科學(xué)家多年來也一直在研究等離子體-固體界面，開發(fā)新實(shí)驗(yàn)診斷、理論模型和技術(shù)應(yīng)用。

利用基爾大學(xué)Niclas Schlunzen的超級(jí)計(jì)算機(jī)，Karsten Balzer, Jan-Philip Joost和Michael Bonitz教授(左起)首次描述了高能等離子離子撞擊納米結(jié)構(gòu)固體所產(chǎn)生的超快電子過程；合著者馬克西米利安?羅德里格斯?拉斯穆森(圖中未顯示)也對(duì)這項(xiàng)研究做出了重大貢獻(xiàn)。圖片：Siekmann, CAU

但是在他們最近發(fā)表的研究中，由Michael Bonitz教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組達(dá)到了一個(gè)新模擬精度水平。他們以高時(shí)間分辨率研究了固體中的過程，并能實(shí)時(shí)觀察固體在高能等離子離子轟擊下的反應(yīng)。為了在幾飛秒、千分之一秒的尺度上描述這些超快過程，該團(tuán)隊(duì)首次應(yīng)用了精密的多粒子、量子力學(xué)模擬方法。結(jié)果證明，離子可以顯著地激發(fā)固體中的電子。因此，兩個(gè)電子可能占據(jù)一個(gè)晶格位置，從而形成所謂的雙blon。這種效應(yīng)發(fā)生在某些納米結(jié)構(gòu)中，例如所謂的石墨烯納米帶。

這些條帶由單層碳原子制成，由于其獨(dú)特的力學(xué)和電學(xué)特性，包括極高的靈活性和導(dǎo)電性，在納米電子技術(shù)中有可能得到應(yīng)用。通過控制這種雙光子的產(chǎn)生，有可能以一種可控的方式改變這種納米帶性質(zhì)。此外研究人員能夠預(yù)測(cè)這種效應(yīng)也可以在超冷氣體的光學(xué)晶格中觀察到，因此，基爾科學(xué)家的研究結(jié)果甚至在等離子體-固體相互作用領(lǐng)域之外也具有重要意義?，F(xiàn)在，物理學(xué)家們正在尋找最佳的條件，在這種條件下，這種效應(yīng)也可以在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的等離子體中得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

“博科園”最后留一個(gè)有趣的問題：你知道宇宙中物質(zhì)有多少態(tài)？分別是那些態(tài)？

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?基爾大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.267602

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