Wetenschap
Natuurkundigen bereiken telegrafie op atomaire schaal met licht
In de jaren tachtig van de negentiende eeuw ontdekte Heinrich Hertz dat een vonk die tussen twee stukken metaal springt een lichtflits uitzendt – snel oscillerende elektromagnetische golven – die door een antenne kunnen worden opgevangen. Ter ere van zijn baanbrekende werk werd de frequentie-eenheid in 1930 "Hertz" genoemd. De bevindingen van Hertz werden later door Guglielmo Marconi (Nobelprijs voor de natuurkunde, 1909) gebruikt om informatie over lange afstanden te verzenden, waardoor radiocommunicatie ontstond en een revolutie teweegbracht in de draadloze telegrafie. moderne wereld tot vandaag.
Wetenschappers van het Departement Natuurkunde en het Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN), Universiteit van Regensburg, zijn nu in staat geweest om rechtstreeks een kwantumversie van de vonk van Hertz te observeren die tussen slechts twee atomen springt, door het oscillogram te meten van het licht dat het uitzendt met temporele metingen. precisie sneller dan een enkele oscillatiecyclus van de lichtgolf.
Dit nieuwe signaal maakte het mogelijk een lang gezocht doel te bereiken:atomaire ruimtelijke resolutie in volledig optische microscopie. Als ongekend communicatiekanaal met de kwantumwereld zou dit signaal cruciaal kunnen zijn voor de ontwikkeling van supersnelle kwantumtechnologieën, omdat het nieuwe inzichten geeft in de processen die plaatsvinden op lengteschalen van afzonderlijke atomen en op tijdschalen sneller dan een biljoenste van een seconde. P>
Het team van natuurkundigen gebruikte een atomair scherpe punt om licht te focusseren in de kleine opening tussen de top van de punt en een monsteroppervlak dat het nabije veldgebied wordt genoemd. Deze keer werd de opening met subatomaire precisie slechts een paar atomen breed gehouden. P>
In de klassieke natuurkunde, waar elektronen worden voorgesteld als minuscule, geladen deeltjes, kunnen elektronen dit gat niet doordringen. De nabijheid van de atomaire tip en het monster onthult echter de tweede aard van deeltjes in de kwantummechanica:hun golfachtige gedrag. Het grootste deel van de elektronengolf bevindt zich in de punt, maar een klein deel bevindt zich ook in de opening in het monster, alsof iemand tegelijkertijd aan beide kanten van een deur staat.
Deze contra-intuïtieve dualiteit van kwantumgolven en deeltjes manifesteert zich in een experimenteel meetbare stroom van elektronen die door het kleine gat tunnelen. Maar nu wordt dit proces extreem snel aangestuurd door gebruik te maken van lichtgolven, de snelste wisselende elektrische velden die natuurkundigen kunnen beheersen. Het oscillerende elektrische lichtveld spoelt de tunnelende elektronen heen en weer tussen het grensatoom van de punt en het monster, waardoor de kwantumversie van de vonk van Hertz wordt aangedreven.
"Het detecteren van de Hertz-emissie van een handvol elektronen per oscillatiecyclus van licht klonk in eerste instantie als een onmogelijke missie", zegt eerste auteur, Tom Siday. "Stel je onze verbazing voor toen we een sterk signaal ontdekten, allemaal dankzij de ultrastabiele punt die als antenne fungeerde en deze golf op atomaire schaal uitzond."
De auteurs noemden deze nieuwe techniek "near-field optische tunneling emissie" (NOTE) microscopie. Deze bevindingen openen de deur voor het direct observeren van materiegolven die in slow motion over atomaire lengteschalen rollen. De resultaten worden gepubliceerd in Nature .
Deze baanbrekende ontdekking is mogelijk geworden met een unieke ultrasnelle optische microscoop die de extreme ruimtelijke resolutie van een ultramoderne scanning-sondemicroscoop combineert met volledig optische ('licht in, licht uit') signaalmeting.
"Elektronica is fenomenaal gevoelig, maar te langzaam om de huidige oscillaties in de door lichtgolven aangedreven kwantumvonk direct te volgen, dus moet je in de oscillaties van het uitgezonden licht zelf kijken", legt senior auteur Rupert Huber uit.
"NOTE werd geboren toen we zagen dat inkomende en uitgaande lichtgolven een kwart van de oscillatieperiode in de tijd verschoven waren - slechts een kwart biljoenste van een seconde in ons experiment! We moesten ervoor zorgen dat onze hele optische opstelling voldoende stabiel was om deze kleine verschuiving detecteren en dat we absolute controle hebben over het oscillerende lichtveld", vervolgt een van de hoofdauteurs, Johannes Hayes.
‘De punt van de antenne moet bovenop hetzelfde atoom blijven, zelfs in het hart van de intense focus van krachtige laserpulsen – allemaal binnen een afstand van minder dan een tienduizendste van de diameter van een mensenhaar. Alleen de meest stabiele experimentele de omstandigheden zijn gewoon goed genoeg”, besluit een andere hoofdauteur, Felix Schiegl.
Het ontcijferen van dit kwantumtelegrafische signaal is nog steeds een uitdaging. Het is niet voldoende om alleen naar de twee atomen te kijken waartussen de kwantumvonk springt, aangezien de dynamiek sterk wordt beïnvloed door de omgeving. Om vanuit de eerste principes de kwantumrespons van maar liefst 10 10 te simuleren atomen gebruikte Jan Wilhelm een supercomputer om de kenmerkende tijdverschuiving van het NOTE-signaal te reproduceren en eerste inzichten te verschaffen in de door lichtgolven aangedreven kwantumstroom van elektronen en de vervorming van atomaire orbitalen.
NOTE heeft het al mogelijk gemaakt om nieuwe natuurkunde bloot te leggen. "Elektronen die van de punt naar het monster gaan en vervolgens terugkeren, zijn bijna hypothetisch:onzichtbaar voor de elektronica, maar niet om op te merken", legt de corresponderende auteur Yaroslav Gerasimenko uit.
"Ze moeten gewoon onder de punt blijven totdat het lichtveld van richting verandert om terug te kunnen keren." Door naar een atomair dunne isolator te kijken – een materiaal dat weerstand biedt aan de verspreiding van elektronen – kregen de natuurkundigen een eerste glimp van deze ultrasnelle materiestromen en kunnen ze nu kijken naar de voorheen verborgen dynamiek op atomaire schaal in isolatielagen die alomtegenwoordig zijn in de elektronica en fotovoltaïsche energie.
Deze nieuwe resultaten vormen een baanbrekende vooruitgang in de optische microscopie, waardoor deze tegelijkertijd op de ultieme lengte- en tijdschalen wordt gebracht. Directe observatie van ultrasnelle tunnelstromen zou een ongekend inzicht in de elektronische dynamiek in kwantummaterialen en kwantumplatforms voor computers en gegevensopslag mogelijk kunnen maken.
NOTE opent bovendien de deur naar sterke velddynamiek op atomaire schaal, zoals lichtgolfelektronica. De ontdekking van dit communicatiekanaal met de kwantumwereld zou, net als de bevindingen van Hertz meer dan 100 jaar geleden, een revolutie in de informatieoverdracht kunnen veroorzaken. Bovendien zou het van cruciaal belang kunnen zijn voor het begrijpen van de microscopische dynamiek die de apparaten van morgen vormgeeft.