Вчені згенерували найкоротший електронний вибух

Ви коли-небудь замислювалися, чому ваш комп’ютер та інші електронні пристрої іноді працюють швидко, а іноді повільно? Усе зводиться до швидкості, з якою електрони, найдрібніші частинки нашого мікросвіту, витікають із крихітних проводів усередині транзисторів електронних мікросхем і створюють імпульси. Розробка методів збільшення цієї швидкості має вирішальне значення для досягнення максимального потенціалу продуктивності електроніки та її програм.

Але який найкоротший можливий час для електронів, щоб витікати з крихітного металевого свинцю в електронній схемі?

Використовуючи надзвичайно короткі лазерні спалахи, команда дослідників під керівництвом професора Елефтеріоса Гуліелмакіса, керівника групи екстремальної фотоніки Інституту фізики Університету Ростока, та співробітників Інституту дослідження твердого тіла Макса Планка в Штутгарті використовувала стан найсучасніші лазерні імпульси для викиду електронів із вольфрамового нанокінчика та генерації найкоротшого електронного спалаху на сьогодні. Висновки нещодавно були опубліковані в журналі Nature.

У той час як давно відомо, що світло може вивільняти електрони з металів (Ейнштейн був першим, хто пояснив, як), цим процесом надзвичайно важко маніпулювати. Електричне поле світла змінює свій напрям приблизно мільйон мільярдів разів на секунду, що ускладнює контроль над тим, як воно відриває електрони від поверхні металів.

Щоб подолати цю проблему, вчені з Ростока та їхні колеги використали сучасну технологію, яку раніше розробила їхня група, — синтез світлового поля, — що дозволило їм скоротити світловий спалах до меншого, ніж повний розмах його власного поля. Своєю чергою, вони використовували ці спалахи, щоб освітлити кінчик вольфрамової голки, щоб звільнити електрони у вакуум.

«Використовуючи світлові імпульси, які містять лише один цикл свого поля, тепер можна дати електронам точно контрольований удар, щоб звільнити їх від вольфрамового кінчика протягом дуже короткого інтервалу часу», — пояснює Елефтеріос Гуліелмакіс, керівник дослідницької групи. .

Але цю проблему неможливо було б подолати, якщо вчені також не знайшли спосіб виміряти короткочасність цих спалахів електронів. Щоб подолати цю перешкоду, команда розробила новий тип камери, яка може робити миттєві знімки електронів протягом короткого часу, коли лазер виштовхує їх із нанокінчика у вакуум.

«Хитрість полягала в тому, щоб використати другий, дуже слабкий, світловий спалах», — сказав доктор Хі-Йонг Кім, провідний автор нового дослідження. «Цей другий лазерний спалах може м’яко спотворити енергію вибуху електронів, щоб дізнатися, як це виглядає з часом», — додає він. «Це як гра «Що в коробці?» де гравці намагаються впізнати об’єкт, не дивлячись на нього, але просто повернувши його, щоб відчути його форму руками», – продовжує він.

Але як цю технологію можна використовувати в електроніці? «Оскільки технологія швидко розвивається, розумно очікувати розробки мікроскопічних електронних схем, у яких електрони рухаються у вакуумному просторі серед щільно упакованих свинців, щоб запобігти перешкодам, які сповільнюють їх», — говорить Гуліелмакіс. «Використання світла для викиду електронів і переміщення їх між цими проводами може пришвидшити майбутню електроніку в кілька тисяч разів порівняно з сьогоднішньою», — далі пояснює він.

Але дослідники вважають, що їх нещодавно розроблена методологія буде використана безпосередньо в наукових цілях. «Викид електронів із металу в межах частки циклу світлового поля значно спрощує експерименти та дозволяє нам використовувати передові теоретичні методи для розуміння емісії електронів у спосіб, який раніше був неможливим», — каже професор Томас Феннел, співавтор дослідження. нова публікація.

«Оскільки наші електронні спалахи забезпечують чудову роздільну здатність для створення миттєвих знімків електронних і атомних рухів у матеріалах, ми плануємо використовувати їх, щоб отримати глибоке розуміння складних матеріалів, щоб полегшити їх застосування в технології», — підсумовує Гуліелмакіс.