Световые импульсы испускают взрывы электронов из металлического наноконца, которые длятся всего 53 аттосекунды. 
Предоставлено: Элефтериос Гулиельмакис, Университет Ростока.

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

Вы когда-нибудь задумывались, что заставляет ваш компьютер и другие электронные гаджеты работать медленно или быстро? Это время, за которое электроны, одни из самых крошечных частиц нашего микромира, вытекают из мельчайших выводов внутри транзисторов электронных микрочипов и формируют импульсы. Методы ускорения этого процесса являются центральными для продвижения электроники и ее приложений до предельных пределов производительности. Но каково самое короткое возможное время потока электронов из крошечного металлического провода в электронной цепи?

Используя чрезвычайно короткие лазерные вспышки, группа исследователей во главе с профессором Элефтериосом Гулиельмакисом, главой группы экстремальной фотоники Института физики Ростокского университета, и сотрудники Института исследований твердого тела им. Макса Планка в Штутгарте использовали следующее: самые современные лазерные импульсы для выбрасывания электронов из вольфрамового наноконца для генерации самой короткой на сегодняшний день вспышки электронов. Эта работа опубликована в Nature.

Хотя уже давно известно, что свет может высвобождать электроны из металлов — Эйнштейн был первым, кто объяснил, как это сделать, — этим процессом чрезвычайно трудно управлять. Электрическое поле света меняет свое направление примерно миллион миллиардов раз в секунду, что затрудняет контроль над тем, как оно отрывает электроны от поверхности металлов.

Чтобы преодолеть эту проблему, ростокские ученые и их коллеги использовали современную технологию, ранее разработанную их группой, — синтез светового поля, — которая позволила им укоротить световую вспышку до менее полного колебания собственного поля. В свою очередь, они использовали эти вспышки, чтобы осветить кончик вольфрамовой иглы, чтобы выбить электроны в вакуум.

«Используя световые импульсы, которые составляют 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, глава исследовательской группы. .

Но эту проблему нельзя было бы решить, если бы ученые также не нашли способ измерить продолжительность этих электронных всплесков. Чтобы справиться с этим препятствием, команда разработала новый тип камеры, которая может делать снимки электронов в течение короткого времени, когда лазер выталкивает их из наноконца в вакуум.

«Хитрость заключалась в том, чтобы использовать вторую, очень слабую световую вспышку», — сказал доктор Хи-Йонг Ким, ведущий автор нового исследования. «Эта вторая лазерная вспышка может мягко возмущать энергию электронного взрыва, чтобы узнать, как он выглядит во времени. Это похоже на игру «Что в коробке?» где игроки пытаются идентифицировать объект, не глядя на него, а просто поворачивая его, чтобы почувствовать его форму руками».

Но как эту технологию можно использовать в электронике? «Поскольку технологии развиваются быстрыми темпами, разумно ожидать разработки микроскопических электронных схем, в которых электроны перемещаются в вакууме среди плотно упакованных проводов, чтобы предотвратить препятствия, замедляющие их», — говорит Гулиельмакис. «Использование света для выброса электронов и перемещения их по этим проводникам может ускорить работу электроники будущего в несколько тысяч раз по сравнению с сегодняшней производительностью».

Но исследователи считают, что их новая разработанная методология будет использоваться непосредственно в научных целях. «Выброс электронов из металла за долю цикла светового поля значительно упрощает эксперименты и позволяет нам использовать передовые теоретические методы для понимания испускания электронов способами, которые ранее были невозможны», — говорит профессор Томас Феннел, соавтор исследования.

«Поскольку наши электронные всплески обеспечивают превосходное разрешение для съемки электронных и атомных движений в материалах, мы планируем использовать их для глубокого понимания сложных материалов, чтобы облегчить их применение в технологии», — говорит Гулиельмакис.