Fysikere når telegrafi på atomare skala med lys

I 1880'erne opdagede Heinrich Hertz, at en gnist, der hopper mellem to metalstykker, udsender et lysglimt - hurtigt oscillerende elektromagnetiske bølger - som kan opfanges af en antenne. For at hædre hans banebrydende arbejde blev frekvensenheden navngivet "Hertz" i 1930. Hertz' resultater blev senere brugt af Guglielmo Marconi (Nobelprisen i fysik, 1909) til at transmittere information over lange afstande, hvilket skabte radiokommunikation og revolutionerede trådløs telegrafi – hvilket formede moderne verden indtil i dag.

Forskere fra Institut for Fysik og Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN), University of Regensburg, har nu været i stand til direkte at observere en kvanteversion af Hertz' gnist, der springer mellem blot to atomer ved at måle oscillogrammet af det lys, den udsender med tidsmæssigt. præcision hurtigere end en enkelt oscillationscyklus af lysbølgen.

Dette nye signal gjorde det muligt at nå et længe søgt mål:atomær rumlig opløsning i al-optisk mikroskopi. Som en hidtil uset kommunikationskanal med kvanteverdenen kan dette signal være afgørende for udviklingen af ​​superhurtige kvanteteknologier, da det giver ny indsigt i de processer, der sker på længdeskalaer af enkelte atomer og tidsskalaer hurtigere end en trilliontedel af et sekund.

Holdet af fysikere brugte en atomisk skarp spids til at fokusere lyset ind i det lille hul mellem spidsens spids og en prøveoverflade kaldet nærfeltsområdet - denne gang blev mellemrummet holdt kun et par atomer bredt med subatomær præcision.

I klassisk fysik, hvor elektroner forestilles som små, ladede partikler, kan elektroner ikke trænge igennem dette hul. Imidlertid afslører den atomare spids-prøve nærhed den anden natur af partikler i kvantemekanikken:deres bølgelignende adfærd. Det meste af elektronbølgen vil være i spidsen, men en lille del vil også ligge på tværs af hullet inde i prøven, som om en person stod på begge sider af en dør på samme tid.

Denne kontraintuitive kvantebølge-partikel dualitet manifesterer sig i en eksperimentelt målbar strøm af elektroner, der tunnelerer gennem det lille hul. Men nu drives denne proces ekstremt hurtigt ved at bruge lysbølger, de hurtigste vekslende elektriske felter, fysikere kan kontrollere. Det oscillerende elektriske lysfelt skyller de tunnelerende elektroner frem og tilbage mellem spidsens grænseatom og prøven og driver dermed kvanteversionen af ​​Hertz' gnist.

"At detektere Hertzian-emissionen fra en håndfuld elektroner pr. oscillationscyklus af lys lød i starten som umuligt mission," siger førsteforfatter, Tom Siday. "Forestil dig vores overraskelse, da vi opdagede et stærkt signal - alt sammen takket være den ultrastabile spids, der fungerer som en antenne, der transmitterer denne bølge fra atomskalaen."

Forfatterne kaldte denne nye teknik "nærfelts optisk tunneling-emission" (NOTE) mikroskopi. Disse fund åbner døren for direkte observerende stofbølger, der ruller på atomare længdeskalaer i slowmotion. Resultaterne er publiceret i Nature .

Denne banebrydende opdagelse er blevet mulig med et unikt ultrahurtigt optisk mikroskop, der kombinerer ekstrem rumlig opløsning af et avanceret scanningsondemikroskop med helt optisk - "lys ind, lys ud" - signalmåling.

"Elektronik er fænomenalt følsomt, men for langsom til direkte at følge de aktuelle svingninger i den lysbølgedrevne kvantegnist, så man er nødt til at kigge ind i svingningerne af det udsendte lys selv," forklarer seniorforfatteren Rupert Huber.

"NOTE blev født, da vi observerede, at indkommende og udgående lysbølger blev forskudt i tid med en fjerdedel af oscillationsperioden - kun en kvart trilliontedel af et sekund i vores eksperiment! Vi var nødt til at sikre, at hele vores optiske opsætning er tilstrækkelig stabil til at opdage dette lille skift, og at vi har absolut kontrol over det oscillerende lysfelt," fortsætter en af ​​hovedforfatterne, Johannes Hayes.

"Antennespidsen skal forblive på toppen af ​​det samme atom, selv i hjertet af det intense fokus af kraftige laserimpulser - alt inden for en afstand på mindre end en ti tusindedel af diameteren af ​​et menneskehår. Kun det mest stabile eksperimentelle forholdene er lige gode nok," konkluderer en anden hovedforfatter, Felix Schiegl.

Det er stadig en udfordring at dechifrere dette kvantetelegrafiske signal. Det er ikke nok kun at betragte de to atomer, som kvantegnisten springer imellem, da dynamikken er meget påvirket af omgivelserne. At simulere fra første principper kvanteresponset på svimlende 10 ¹⁰ atomer, brugte Jan Wilhelm en supercomputer til at reproducere signaturtidsforskydningen af ​​NOTE-signalet og give første indsigt i den lysbølgedrevne kvantestrøm af elektroner og forvrængning af atomare orbitaler.

NOTE har allerede gjort det muligt at afsløre ny fysik. "Elektroner, der krydser fra spidsen til prøven og derefter vender tilbage, er næsten hypotetiske - usynlige for elektronik, men ikke til BEMÆRK," forklarer den tilsvarende forfatter Yaroslav Gerasimenko.

"De skal bare blive under spidsen, indtil lysfeltet ændrer retning for at kunne vende tilbage." Ved at se på en atomisk tynd isolator - et materiale, der modstår elektronspredning - fik fysikerne et første glimt af disse ultrahurtige stofstrømme og kan nu se ind i tidligere skjulte atomskala-dynamikker i isolerende lag, der er allestedsnærværende i elektronik og fotovoltaik.

Disse nye resultater præsenterer et banebrydende fremskridt inden for optisk mikroskopi, der bringer det til den ultimative længde- og tidsskala samtidigt. Direkte observation af ultrahurtige tunnelstrømme kunne muliggøre en hidtil uset forståelse af elektronisk dynamik i kvantematerialer og kvanteplatforme til databehandling og datalagring.

BEMÆRK åbner desuden døren til stærkfeltdynamik i atom-skala som f.eks. lysbølgeelektronik. Opdagelsen af ​​denne kommunikationskanal med kvanteverdenen kunne, ligesom Hertz' resultater for over 100 år siden, udløse en revolution inden for informationsoverførsel. Desuden kan det være nøglen til at forstå den mikroskopiske dynamik, der former fremtidens enheder.

Flere oplysninger: Thomas Siday et al., All-optical subcycle microscopy on atomic length scales. Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07355-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07355-7

Forskningsbriefing:Nature (2024). DOI:10.1038/d41586-024-01294-z

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Regensburg