Физики из Института квантовой оптики общества Макса Планка добились рекордной частоты колебаний электрического тока благодаря использованию интенсивных лазерных полей. Она составила почти 6 петагерц — время одного колебания по меньшей мере на порядок меньше, чем время колебания волны света оптического диапазона. Ученые надеются, что новая техника анализа таких высокочастотных колебаний позволит следить за динамикой электронов на атомном масштабе. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает пресс-релиз Общества Макса Планка.

Скорость работы микроэлектронных чипов зависит от большого количества параметров: времени включения и отключения транзисторов, размеров чипа и других. Среди фундаментальных ограничений, влияющих на длительность элементарных операций, можно также выделить частоту с которой может меняться сигнал. Поскольку электрический ток возникает благодаря действию электрических полей, чем быстрее меняется вектор напряженности поля, тем больших частот можно добиться.

Естественным источником быстрых изменений в электромагнитных полях является свет. Так, колебания света оптического диапазона соответствуют частотам порядка сотен терагерц. Используя высокоинтенсивное лазерное излучение, физики ранее уже приближались к частоте колебаний электрического тока в один петагерц. В новой работе авторам удалось перешагнуть через эту границу.

Бирюзовый — приложенное электрическое поле лазерного импульса, желтый — ультрафиолетовое излучение, испускаемое электронами. M. Garg et al. / Nature, 2016

Физики изучали природу нелинейных эффектов, возникающих при облучении тонких слоев оксида кремния лазерными импульсами высокой интенсивности. В работе ученые развивали напряженность электрического поля вплоть до 10 гигавольт (миллиардов вольт) на метр. В такой ситуации резко менялись свойства окиси кремния — так, ее проводимость увеличивалась в квинтиллион раз, с уровня 10^-14 – 10^-16 до десятков обратных ом·метров (сименс). Сами электроны при этом начинали когерентно колебаться — с одной частотой и постоянной разностью фаз колебаний между частицами.

Для того, чтобы определить частоту колебаний электронов, физики исследовали ультрафиолетовое излучение, которое испускали частицы. Это гораздо проще, чем пытаться напрямую визуализировать движения электроном. Оказалось, что период их колебаний составлял менее одной фемтосекунды — 470 аттосекунд. Это соответствует 5,8 петагерца. Максимальные частоты колебаний, зарегистрированные в эксперименте, достигали 8 петагерц, что почти в десять раз превышает предыдущий зафиксированный рекорд.

На масштабе единиц и десятков фемтосекунд происходят процессы разрыва химических связей. С помощью современных методов исследования ученые имеют возможность отслеживать такие явления — недавно мы сообщали о наблюдениях за распадом молекулы ацетилена на два фрагмента. Научная группа добилась рекордного разрешения в 0,6 фемтосекунд — 600 аттосекунд. Улучшение разрешения до единиц и десятков аттосекунд позволит увидеть детали более быстрых процессов — например, переноса электронов.

Автор: Владимир Королёв