Et ultrahurtigt mikroskop til kvanteverdenen

Driften af ​​komponenter til fremtidige computere kan nu filmes i HD -kvalitet, så at sige. Manish Garg og Klaus Kern, forskere ved Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart, har udviklet et mikroskop for de ekstremt hurtige processer, der finder sted på kvanteskalaen. Dette mikroskop - en slags HD -kamera til kvanteverdenen - tillader præcis sporing af elektronbevægelser ned til det enkelte atom. Det bør derfor give nyttig indsigt, når det kommer til at udvikle ekstremt hurtige og ekstremt små elektroniske komponenter, for eksempel.

De processer, der finder sted i kvanteverdenen, repræsenterer en udfordring for selv de mest erfarne fysikere. For eksempel, de ting, der finder sted inde i de stadig mere kraftfulde komponenter i computere eller smartphones, sker ikke kun ekstremt hurtigt, men også inden for et stadig mindre rum. Når det kommer til at analysere disse processer og optimere transistorer, for eksempel, videoer af elektronerne ville være til stor fordel for fysikere. For at opnå dette, forskere har brug for et højhastighedskamera, der afslører hver ramme i denne "elektronvideo" i blot et par hundrede attosekunder. Et attosekund er en milliarddel af en milliarddel af et sekund; til den tid, lys kan kun rejse vandmolekylets længde. I en årrække, fysikere har brugt laserpulser af en tilstrækkelig kort længde som et attosekundskamera.

I fortiden, imidlertid, et attosekund -billede leverede kun et øjebliksbillede af en elektron mod det, der i det væsentlige var en sløret baggrund. Nu, takket være Klaus Kern's arbejde, Direktør ved Max Planck Institute for Solid State Research, og Manish Garg, en videnskabsmand i Kern's afdeling, forskere kan nu også identificere præcist, hvor den filmede elektron er placeret ned til det enkelte atom.

Ultrashort laserpulser kombineret med et scannende tunnelmikroskop

At gøre dette, de to fysikere bruger ultrakorte laserpulser i forbindelse med et scannende tunnelmikroskop. Sidstnævnte opnår atomskalaopløsning ved at scanne en overflade med en spids, der selv ideelt set består af kun et enkelt atom. Elektroner tunnel mellem spidsen og overfladen - det vil sige de krydser det mellemliggende rum, selvom de faktisk ikke har nok energi til at gøre det. Da effektiviteten af ​​denne tunnelproces er stærkt afhængig af den afstand, elektronerne skal tilbagelægge, den kan bruges til at måle rummet mellem spidsen og en prøve og derfor til at skildre selv individuelle atomer og molekyler på en overflade. Indtil nu, imidlertid, scanning af tunnelmikroskoper opnåede ikke tilstrækkelig tidsopløsning til at spore elektroner.

"Ved at kombinere et scannende tunnelmikroskop med ultrahurtige impulser, det var let at bruge fordelene ved de to metoder til at kompensere for deres respektive ulemper, "siger Manish Garg. Forskerne affyrer disse ekstremt korte lyspulser ved mikroskopspidsen - som er placeret med atompræcision - for at udløse tunneleringsprocessen. Som et resultat, dette højhastighedskamera til kvanteverdenen kan nu også opnå HD-opløsning.

Baner vejen for lysbølgeelektronik, hvilket er millioner af gange hurtigere

Med den nye teknik, fysikere kan nu måle nøjagtigt, hvor elektroner er på et bestemt tidspunkt ned til det enkelte atom og med en nøjagtighed på et par hundrede attosekunder. For eksempel, dette kan bruges i molekyler, der har fået en elektron katapulteret ud af dem af en højenergipuls af lys, hvilket får de resterende negative ladningsbærere til at omarrangere sig selv og muligvis få molekylet til at indgå i en kemisk reaktion med et andet molekyle. "At filme elektroner i molekyler lever, og på deres naturlige rumlige og tidsmæssige skala, er afgørende for at forstå kemisk reaktivitet, for eksempel, og omdannelse af lysenergi i ladede partikler, såsom elektroner eller ioner, "siger Klaus Kern, Direktør ved Max Planck Institute for Solid State Research.

I øvrigt, teknikken tillader ikke kun forskere at spore elektronernes vej gennem fremtidens processorer og chips, men kan også føre til en dramatisk acceleration af ladningsbærerne:"I dagens computere, elektroner svinger med en frekvens på en milliard hertz, "siger Klaus Kern." Ved hjælp af ultrakorte lysimpulser, det kan være muligt at øge deres frekvens til en billion hertz. "Med denne turbo booster til lysbølger, forskere kunne rydde vejen for lysbølgeelektronik, hvilket er millioner af gange hurtigere end nuværende computere. Derfor, det ultrahurtige mikroskop filmer ikke kun processer i kvanteverdenen, men fungerer også som direktør ved at blande sig i disse processer.