Sciencemag.cz
Doporučujeme
Solární články a počítačové čipy vyžadují co nejpravidelnější křemíkové vrstvy, bez kazů v krystalové struktuře. Znalost toho, jak se atomy křemíku uspořádávají do krystalové mřížky na tenkém povrchu, umožňuje získat základní poznatky o řízení růstu krystalů. Za tímto účelem mezinárodní výzkumný tým nyní analyzoval chování křemíku, který byl rychle zmrazen.
Při nízkých teplotách se na povrchu křemíku tvoří páry atomů křemíku (dimery), které se mohou naklánět doprava nebo doleva jako houpačka. Nad určitou kritickou teplotou – v případě křemíku 190 kelvinů (−83 °C) – se dimery kývají dopředu a dozadu mezi těmito dvěma stavy.
„Když jsou ochlazeny pod kritickou teplotu, dimery se uzamknou do jednoho ze dvou stavů,“ říká spoluautor studie Gernot Schaller z Institutu teoretické fyziky HZDR (Helmholtz Association of German Research Centres). „Tímto fázovým přechodem jsou účinně zmrazeny.“
Jednotlivé dimery navzájem ovlivňují. Síla přitom závisí na uspořádání dimerů: vazba v příčném směru je silnější než v podélném.
„A právě tato silná takzvaná anizotropie je v podstatě zodpovědná za chování dimerů na jejich povrchu,“ pokračuje Schaller. „V závislosti na rychlosti ochlazování pozorujeme přechod od jednorozměrného chování k dvourozměrnému.“
Jednorozměrné znamená, že při extrémně rychlém ochlazování, více než 100 kelvinů za mikrosekundu, se úhly sklonu dimerů uspořádají podél dlouhých řetězců. Pokud však teplota klesá pomaleji, převládá opačné chování.
V tomto případě tvoří křemíkové dimery více či méně velké, uspořádané povrchy – domény, které se vyznačují jednotnou voštinovou strukturou. Čím pomalejší je ochlazování, tím jsou domény větší.
Snímky bleskově zmrazených povrchů křemíku ze skenovacího tunelového mikroskopu s vysokým rozlišením ukázaly struktury, které odpovídají původním simulacím. Jsou na nich vidět jak rozlehlé dvourozměrné voštinové struktury, tak ostré jednorozměrné hranice mezi klikatými řetězci.
Výsledky nejenže přinášejí nové nápady pro výrobu bezchybných křemíkových povrchů na míru, ale chování křemíkových dimerů vykazuje paralely s takzvaným Kibble-Zurekovým mechanismem. Tento teoretický model, pojmenovaný po teoretických fyzicích Tomu Kibbleovi a Wojciechu H. Zurekovi, popisuje, jak se během rychlých fázových přechodů tvoří topologické defekty, tedy nedokonalosti v jinak uspořádané struktuře.
A jak to souvisí se strunami (kosmologickými) zmíněnými v titulku? Kibble se totiž zabýval procesy během ochlazování velmi mladého vesmíru po velkém třesku. Topologické defekty, jako jsou bodové monopóly (poznámka: asi míněno magnetické?) nebo lineární defekty – kosmické struny – mohly být vytvořeny právě tímto způsobem.
Zurek předpověděl analogické chování v kondenzované hmotě na příkladu kryogenního supravodivého helia. Nová studie ukázala, že Kibble-Zurekův jev je zřejmě mnohem rozšířenější, než se původně předpokládalo, a může nastat dokonce i na bleskově zmrazených křemíkových površích.
G. Schaller et al, Kibble-Zurek Dynamics in the Anisotropic Ising Model of the Si(001) Surface, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/rmc4-xqb3
Zdroj: Helmholtz Association of German Research Centres / Phys.org, přeloženo, zkráceno
