Это стало возможным благодаря измерениям в Гархинге (Германия) и теоретическим расчетам в Венском технологическом университете (Австрия). Оказывается, движение электронов в металле удивительно похоже на баллистическое движение в свободном пространстве.
Результаты опубликованы в журнале Nature.
Крошечные временные рамки квантового мира
Альберт Эйнштейн уже объяснил «фотоэлектрический эффект» в 1905 году: свет передает энергию электрону, удаляя ее из металла. Это происходит так быстро, что долгое время казалось невозможным изучить временную эволюцию этого процесса.
Однако в последние годы аттосекундная физика значительно продвинулась вперед, так что стал возможен анализ этого процесса с временным разрешением.
Аттосекунда — это одна миллиардная миллиардной доли секунды (10 ^ -18 секунд). Это примерно время, необходимое свету, чтобы преодолеть расстояние от одного атома до следующего.
Используя ультракороткие лазерные импульсы, теперь можно измерять время с точностью до аттосекундного диапазона.
Данные, которые теперь опубликованы в журнале Nature, были измерены в Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге в сотрудничестве с Мюнхенским университетом, Институтом Фрица Габера в Берлине, Институтом структуры и динамики материи Макса Планка в Гамбурге и LMU Мюнхен.
В Венском технологическом университете были разработаны теоретические модели и крупномасштабное компьютерное моделирование для анализа и интерпретации результатов.
Гоночные электроны
«Эксперимент позволяет нам наблюдать за гонкой электронов», — говорит профессор Йоахим Бургдорфер (Венский технический университет). Два разных металла — вольфрам и магний — складываются друг в друга и поражаются лазерным импульсом. Либо в слое магния, либо в слое вольфрама, свет может удалять электроны, которые затем попадают на поверхность.
Расстояние, которое должны преодолеть электроны, меньше нанометра, но все же можно количественно определить отведение электронов от слоя магния, прибывающих незадолго до того, как электроны от слоя вольфрама.
Дистанцию этой гонки можно регулировать: на вольфрам наносится от одного до пяти атомных слоев магния. «Чем толще слой магния, тем больше свинец его электронов по сравнению с электронами, выходящими из слоя вольфрама», — говорит Кристоф Лемелл (Технический университет Вены). Простое соотношение между толщиной слоя и временем прибытия показывает, что электроны движутся через металл баллистически, по довольно невозмущенным и прямым линиям.
Сложные процессы рассеяния не играют важной роли в этих масштабах времени и длины.
Для точного расчета времени очень важно иметь четко определенную финишную черту. Для фотофиниша использовался второй лазер. Он влияет на электроны в тот момент, когда они покидают металл, но не раньше.
Лазерный луч не должен проникать в металл. «На расстоянии, меньшем, чем расстояние между атомами металла, интенсивность лазерного поля резко меняется», — говорит Георг Вахтер (Венский технический университет). Поле лазерного луча уменьшается почти до нуля в самом внешнем слое, тогда как прямо за пределами металла электроны сразу попадают в сильное лазерное поле.
Этот резкий контраст является причиной того, что такие чрезвычайно точные измерения времени становятся возможными.
Ожидается, что новые открытия помогут в миниатюризации электронных и фотонных элементов — и они являются еще одним доказательством удивительных возможностей аттосекундной физики. «Эта новая область исследований дает нам новые методы для разработки квантовых технологий и изучения фундаментальных вопросов материаловедения и электроники», — говорит Иоахим Бургдорфер.