Путем наложения двух лазерных полей разной силы и частоты можно измерять и контролировать эмиссию электронов металлов с точностью до нескольких аттосекунд. Физики из Университета Фридриха-Александра Эрлангена-Нюрнберга (FAU), Ростокского и Констанцского университетов показали, что это так. Открытия могут привести к новым открытиям в области квантовой механики и создать электронные схемы, работающие в миллион раз быстрее, чем сегодня. Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Nature.

Свет способен высвобождать электроны с металлических поверхностей. Это наблюдение было сделано еще в первой половине 19 века Александром Эдмондом Беккерелем и позже подтверждено в различных экспериментах, в том числе Генрихом Герцем и Вильгельмом Халлваксом. Поскольку фотоэффект нельзя было согласовать с теорией световых волн, Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен состоять не только из волн, но и из частиц. Он заложил основы квантовой механики.

Сильный лазерный свет позволяет электронам туннелировать

С развитием лазерной техники исследования фотоэффекта получили новый импульс. «Сегодня мы можем производить чрезвычайно сильные и ультракороткие лазерные импульсы самых разных спектральных цветов», — объясняет профессор, доктор Петер Хоммельхофф, заведующий кафедрой лазерной физики физического факультета ФАУ. «Это вдохновило нас на то, чтобы с большей точностью фиксировать и контролировать продолжительность и интенсивность высвобождения электронов металлов».

До сих пор ученым удавалось точно определять индуцированную лазером динамику электронов только в газах — с точностью до нескольких аттосекунд. Квантовая динамика и временные окна излучения еще не были измерены на твердых телах.

Именно это впервые удалось сделать исследователям из FAU, Университета Ростока и Университета Констанца. Для этого они использовали особую стратегию: вместо одного сильного лазерного импульса, испускающего электроны заостренным вольфрамовым наконечником, они также использовали второй, более слабый лазер с удвоенной частотой.

«В принципе, вы должны знать, что при очень сильном лазерном излучении отдельные фотоны больше не ответственны за высвобождение электронов, а скорее электрическое поле лазера», — объясняет доктор Филип Динстбир, научный сотрудник Питера. Хоммельгофа и ведущий автор исследования. «Затем электроны туннелируют через металлическую поверхность в вакуум». Преднамеренно накладывая две световые волны , физики могут контролировать форму и силу лазерного поля, а значит, и эмиссию электронов.

Схемы в миллион раз быстрее

В ходе эксперимента исследователям удалось определить продолжительность потока электронов до 30 аттосекунд — тридцатимиллиардных миллиардных долей секунды. Это сверхточное ограничение временного окна эмиссии могло бы в равной мере продвинуть фундаментальные и прикладные исследования.

« Фазовый сдвиг двух лазерных импульсов позволяет нам получить более глубокое представление о туннельном процессе и последующем движении электрона в лазерном поле», — говорит Филип Динстбир. «Это позволяет получить новое квантово-механическое представление как об излучении твердотельного тела, так и об используемых световых полях».

Наиболее важной областью применения является электроника, управляемая световым полем: с помощью предложенного двухцветного метода лазерный свет можно модулировать таким образом, чтобы можно было генерировать точно определенную последовательность электронных импульсов и, следовательно, электрических сигналов.

Динстбир говорит: «В обозримом будущем можно будет интегрировать компоненты нашей тестовой установки — источники света, металлический наконечник, детектор электронов — в микрочип». Тогда возможны сложные схемы с полосой пропускания до петагерцового диапазона — это будет почти в миллион раз быстрее, чем современная электроника.