De werking van componenten voor toekomstige computers kan nu worden gefilmd in HD-kwaliteit, bij wijze van spreken. Manish Garg en Klaus Kern, onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Stuttgart, hebben een microscoop ontwikkeld voor de extreem snelle processen die plaatsvinden op de kwantumschaal. Deze microscoop - een soort HD-camera voor de kwantumwereld - maakt het nauwkeurig volgen van elektronenbewegingen tot op het individuele atoom mogelijk. Het moet daarom nuttige inzichten opleveren als het gaat om het ontwikkelen van extreem snelle en extreem kleine elektronische componenten, bijvoorbeeld.

De processen die plaatsvinden in de kwantumwereld vormen een uitdaging voor zelfs de meest ervaren natuurkundigen. Bijvoorbeeld, de dingen die plaatsvinden in de steeds krachtiger wordende componenten van computers of smartphones, gebeuren niet alleen extreem snel, maar ook in een steeds kleinere ruimte. Als het gaat om het analyseren van deze processen en het optimaliseren van transistoren, bijvoorbeeld, video's van de elektronen zouden van groot nut zijn voor natuurkundigen. Om dit te behalen, onderzoekers hebben een hogesnelheidscamera nodig die elk frame van deze "elektronenvideo" slechts een paar honderd attoseconden belicht. Een attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde; in die tijd, licht kan alleen de lengte van een watermolecuul afleggen. Voor een aantal jaar, natuurkundigen hebben laserpulsen van voldoende korte lengte als attoseconde camera gebruikt.

Vroeger, echter, een attoseconde-afbeelding leverde slechts een momentopname van een elektron tegen wat in wezen een wazige achtergrond was. Nutsvoorzieningen, dankzij het werk van Klaus Kern, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Solid State Research, en Manish Garg, een wetenschapper in Kern's afdeling, onderzoekers kunnen nu ook precies bepalen waar het gefilmde elektron zich bevindt, tot op het individuele atoom.

Ultrakorte laserpulsen gecombineerd met een scanning tunneling microscoop

Om dit te doen, de twee natuurkundigen gebruiken ultrakorte laserpulsen in combinatie met een scanning tunneling microscoop. De laatste bereikt een resolutie op atomaire schaal door een oppervlak te scannen met een punt dat zelf idealiter uit slechts een enkel atoom bestaat. Elektronen tunnelen tussen de punt en het oppervlak - dat wil zeggen, ze steken de tussenliggende ruimte over terwijl ze eigenlijk niet genoeg energie hebben om dat te doen. Omdat de effectiviteit van dit tunnelproces sterk afhangt van de afstand die de elektronen moeten afleggen, het kan worden gebruikt om de ruimte tussen de punt en een monster te meten en zo zelfs individuele atomen en moleculen op een oppervlak weer te geven. Tot nu, echter, scanning tunneling microscopen bereikten niet voldoende temporele resolutie om elektronen te volgen.

"Door een scanning tunneling microscoop te combineren met ultrasnelle pulsen, het was gemakkelijk om de voordelen van de twee methoden te gebruiken om hun respectieve nadelen te compenseren, ", zegt Manish Garg. De onderzoekers vuren deze extreem korte lichtpulsen af ​​op de punt van de microscoop - die met atomaire precisie is gepositioneerd - om het tunnelproces te activeren. Als resultaat, deze hogesnelheidscamera voor de kwantumwereld kan nu ook HD-resolutie bereiken.

De weg vrijmaken voor lichtgolfelektronica, dat is miljoenen keren sneller

Met de nieuwe techniek, natuurkundigen kunnen nu precies meten waar elektronen zich op een bepaald moment bevinden tot op het individuele atoom en met een nauwkeurigheid van enkele honderden attoseconden. Bijvoorbeeld, dit kan worden gebruikt in moleculen waar een elektron uit is gekatapulteerd door een hoogenergetische lichtpuls, waardoor de resterende negatieve ladingsdragers zichzelf herschikken en mogelijk ervoor zorgen dat het molecuul een chemische reactie aangaat met een ander molecuul. "Het filmen van elektronen in moleculen leven, en op hun natuurlijke ruimtelijke en temporele schaal, is essentieel om chemische reactiviteit te begrijpen, bijvoorbeeld, en de omzetting van lichtenergie in geladen deeltjes, zoals elektronen of ionen, " zegt Klaus Kern, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Solid State Research.

Bovendien, de techniek stelt onderzoekers niet alleen in staat om het pad van elektronen door de processors en chips van de toekomst te volgen, maar kan ook leiden tot een dramatische versnelling van de ladingsdragers:"In hedendaagse computers, elektronen oscilleren met een frequentie van een miljard hertz, " zegt Klaus Kern. "Met behulp van ultrakorte lichtpulsen, misschien is het mogelijk om hun frequentie te verhogen tot een biljoen hertz." Met deze turbobooster voor lichtgolven, onderzoekers kunnen de weg vrijmaken voor lichtgolfelektronica, die miljoenen keren sneller is dan de huidige computers. Daarom, de ultrasnelle microscoop filmt niet alleen processen in de kwantumwereld, maar treedt ook op als regisseur door in te grijpen in deze processen.