过去，很难理解离子穿透物质时发生的高度复杂的过程，因为它们发生得太快了。然而，现代测量使之成为可能。

各种物质对离子的作用有何反应？这是许多科学领域中的一个关键问题，例如核聚变，其中聚变反应堆的壁被高能离子轰击，以及半导体技术，其中半导体受到离子束轰击以创建复杂的架构。

离子撞击对物质影响的回顾性分析很简单。然而，理解此类操作的时间顺序可能具有挑战性。TU Wien的一个研究小组现在已经在 1 飞秒的时间尺度上研究了离子穿透材料（如石墨烯或二硫化钼）对单个粒子的影响。

必须彻底检查整个过程中释放的电子：从某种意义上说，当利用它们来重建操作的时间序列时，测量变成了“电子慢动作”。《物理评论快报》最近发表了这些发现，甚至被选为“编辑建议”。

二十到四十次带电粒子

维也纳工业大学应用物理研究所的 Richard Wilhelm 教授的研究小组使用了高电荷离子。氙原子在中性状态下有 54 个电子。它们被剥离了 20 到 40 个电子，剩余的带正电的氙离子随后聚焦到由氙原子构成的一小层材料上。

我们对这些离子与石墨烯材料的相互作用特别感兴趣，石墨烯材料仅由单层碳原子组成。这是因为我们已经从之前的实验中知道石墨烯具有非常有趣的特性。石墨烯中的电子传输非常快。

由于粒子反应如此之快，因此无法直接监控过程。但是，有一些独特的技术可以应用。

在这样的过程中，通常也会释放大量电子。我们能够非常精确地测量这些电子的数量和能量，将结果与我们来自基尔大学的合著者提供的理论计算进行比较，这使我们能够解开在飞秒尺度上发生的事情。

通过石墨烯的飞秒之旅

带强电的离子首先向物质薄层移动。由于它的正电荷，它会产生一个影响材料电子的电场，使它们甚至在接触之前就朝撞击点的方向移动。

材料的电子最终被材料的强电场剥离，并被带负电的离子捕获。然后离子立即撞击材料的表面并刺穿它。这导致复杂的相互作用，其中电子被释放并且大量能量通过离子迅速转移到物质。

如果没有电子，材料中仍然存在正电荷。然而，从其他材料部分移入的电子迅速弥补了这一点。这个过程在石墨烯中发生得非常快，导致强大的原子级电流的短暂形成。这个过程在二硫化钼中移动得稍微慢一些。

然而，在这两种情况下，材料内的电子分布都会影响已经释放的电子。因此，如果密切监测这些发射的电子，它们可以揭示有关撞击时间结构的信息。只有快速移动的电子才能逃离物质；较慢的电子反向，再次被捕获，并且不进入电子检测器。

离子可以在一飞秒内穿过一层石墨烯。超短激光脉冲已被用于测量如此短时间尺度的过程，但在这种情况下，它们会在材料中沉积大量能量并从根本上改变过程。

通过我们的方法，我们找到了一种可以带来相当基本的新见解的方法。这些结果有助于我们了解物质如何对非常短且非常强烈的辐射暴露做出反应——不仅对离子，而且最终对电子或光也有反应。