Используя сверхбыстрые лазерные вспышки, ученые из Университета Ростока в сотрудничестве с исследователями из Института исследований твердого тела имени Макса Планка в Штутгарте сгенерировали и измерили самый короткий на сегодняшний день электронный импульс. Электронный импульс был создан с помощью лазеров для удаления электронов с крошечного металлического наконечника и длился всего 53 аттосекунды, то есть 53 миллиардные доли миллиардной доли секунды. Это событие установило новый рекорд скорости в искусственном управлении электрическими токами в твердых материалах.

Исследование открывает новые возможности для повышения производительности электроники и информационных технологий, а также для разработки новых научных методик визуализации явлений в микромире на предельных скоростях.

Вы когда-нибудь задумывались, что делает ваш компьютер и другие электронные гаджеты медленными или быстрыми в своей работе? Это время, которое требуется электронам, одним из мельчайших частиц нашего микромира, чтобы вырваться из мельчайших проводников внутри транзисторов электронных микросхем и сформировать импульсы. Методы ускорения этого процесса являются ключевыми для продвижения электроники и ее приложений к предельным пределам производительности. Но каково минимально возможное время потока электронов из крошечного металлического проводника в электронной схеме?

Используя чрезвычайно короткие лазерные вспышки, группа исследователей под руководством профессора Элефтериоса Гулиельмакиса, руководителя группы экстремальной фотоники Института физики Ростокского университета, и сотрудников Института исследований твердого тела имени Макса Планка в Штутгарте использовали самые современные лазерные импульсы для выброса электронов из вольфрамового наконечника, чтобы создать самый короткий на сегодняшний день всплеск электронов. Эта работа опубликована в журнале Nature.

Хотя давно известно, что свет может высвобождать электроны из металлов, Эйнштейн первым объяснил, как это происходит, этим процессом очень трудно манипулировать. Электрическое поле света меняет свое направление около миллиона миллиардов раз в секунду, что затрудняет контроль над тем, как свет отрывает электроны от поверхности металлов.

Чтобы преодолеть эту проблему, ученые из Ростока и их коллеги использовали современную технологию, ранее разработанную их группой - синтез светового поля, - которая позволила им сократить световую вспышку до менее чем полного колебания собственного поля. В свою очередь, они использовали эти вспышки для освещения кончика вольфрамовой иглы, чтобы выбить свободные электроны в вакуум.

"Используя световые импульсы, составляющие всего один цикл его поля, теперь можно дать электронам точно контролируемый толчок, чтобы освободить их от вольфрамового наконечника за очень короткий промежуток времени", - объясняет Элефтериос Гулиельмакис, руководитель исследовательской группы.

Но эта проблема не могла быть решена, пока ученые не нашли способ измерить краткость этих электронных всплесков. Чтобы справиться с этим препятствием, группа разработала новый тип камеры, которая может делать снимки электронов в течение короткого времени, когда лазер выталкивает их из нанокончика в вакуум.

"Хитрость заключалась в использовании второй, очень слабой, световой вспышки", - говорит доктор Хи-Йонг Ким, ведущий автор нового исследования. "Эта вторая лазерная вспышка может мягко возмутить энергию всплеска электронов, чтобы выяснить, как это выглядит во времени. Это похоже на игру "Что в коробке?", когда игроки пытаются определить предмет, не глядя на него, а просто повернув его, чтобы почувствовать его форму руками".

Но как эта технология может быть использована в электронике? "Поскольку технологии быстро развиваются, разумно ожидать разработки микроскопических электронных схем, в которых электроны путешествуют в вакуумном пространстве среди тесно упакованных проводников, не допуская препятствий, которые их замедляют", - говорит Гулиельмакис. "Использование света для выброса электронов и их движения среди этих выводов может ускорить будущую электронику в несколько тысяч раз по сравнению с сегодняшними показателями".

Но исследователи считают, что разработанная ими методика будет использоваться непосредственно в научных целях. "Выброс электронов из металла за доли цикла светового поля значительно упрощает эксперименты и позволяет нам использовать передовые теоретические методы для понимания эмиссии электронов таким образом, который ранее был невозможен", - говорит профессор Томас Феннел, соавтор новой публикации.

"Поскольку наши всплески электронов обеспечивают отличное разрешение для получения снимков электронных и атомных движений в материалах, мы планируем использовать их для глубокого понимания сложных материалов, чтобы облегчить их применение в технологиях", - говорит Гулиельмакис.