Natuurkundigen van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München en het Max Planck Institute for Quantum Optics hebben een licht-materiefenomeen op nanoschaal waargenomen dat slechts attoseconden aanhoudt.

Als licht op een metaal valt, het elektromagnetische veld wekt trillingen van de elektronen in het metaal op. Deze interactie resulteert in de vorming van zogenaamde nabije velden - elektromagnetische velden die zich dicht bij het oppervlak van het metaal bevinden. Hoe zulke nabije velden zich precies gedragen onder invloed van licht is nu onderzocht door een internationaal team van natuurkundigen van LMU München en het Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ), in nauwe samenwerking met onderzoekers van de leerstoel laserfysica aan de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

De onderzoekers richtten intense infrarood laserpulsen op een gouden nanonaald. Deze pulsen zijn zo kort dat ze uit slechts enkele trillingen van het lichtveld bestaan. Wanneer het licht op de nanodraad valt, wekt het collectieve trillingen op van de elektronen die geassocieerd zijn met de goudatomen nabij het oppervlak van de draad. Deze elektronenbewegingen zijn verantwoordelijk voor het genereren van nabije velden aan het oppervlak van de draad.

Om de timing van de reactie van het nabije veld op het lichtveld te bestuderen, zeer kort na de eerste lichtpuls richtten de natuurkundigen een tweede lichtpuls met een extreem korte duur van slechts een paar honderd attoseconden (1 zoals een miljardste van een miljardste van een seconde duurt) op de nanostructuur. Deze tweede flits maakt in feite wat elektronen los van de nanodraad. Als ze de oppervlakte bereiken, ze worden versneld door de nabije velden en kunnen worden gedetecteerd, waardoor de dynamiek van de nabije velden kan worden gekarakteriseerd. Analyse van deze elektronen toonde aan dat de nabije velden oscilleerden met een tijdverschuiving van ongeveer 250 attoseconden ten opzichte van het invallende licht, en dat ze leidend waren in hun vibraties. Met andere woorden, de trillingen in het nabije veld bereikten hun maximale amplitude 250 attoseconden eerder dan de trillingen van het lichtveld.

"Velden en oppervlaktegolven gegenereerd in nanostructuren zijn van centraal belang voor de ontwikkeling van opto-elektronica. Met de beeldvormingstechniek die we hier hebben aangetoond, ze kunnen nu scherp worden opgelost, " legt professor Matthias Kling uit, de leider van de Ultrafast Nanophotonics-groep in de afdeling Natuurkunde van LMU.

De experimenten maken de weg vrij voor meer complexe studies van licht-materie-interacties in metalen die van belang zijn voor nano-optica en de lichtgestuurde elektronica van de toekomst. Dergelijke elektronica zou werken op de frequenties van licht. Optische velden oscilleren met snelheden van een miljoen miljard keer per seconde, d.w.z. met petahertz-frequenties - ongeveer 100, 000 keer sneller dan de klokfrequenties die haalbaar zijn in conventionele elektronische apparaten.