Самым основным из всех физических взаимодействий в природе является взаимодействие света и материи. Это взаимодействие происходит за аттосекундные времена (то есть миллиардные доли миллиардной секунды).
Что именно происходит за такое удивительно короткое время, до сих пор остается в основном недоступным. Теперь исследовательская группа во главе с доктором Питером Баумом и доктором Юя Моримото из LMU в Мюнхене и Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) разработала новый режим электронной микроскопии, который позволяет наблюдать это фундаментальное взаимодействие в реальном времени и реальное пространство.
Чтобы визуализировать явления, происходящие в аттосекундном масштабе, такие как взаимодействие между светом и атомами, нужен метод, который идет в ногу со сверхбыстрыми процессами с пространственным разрешением в атомном масштабе. Чтобы удовлетворить эти требования, Баум и Моримото используют тот факт, что электроны, как элементарные частицы, также обладают волновыми свойствами и могут вести себя как так называемые волновые пакеты. Исследователи направляют пучок электронов на тонкую диэлектрическую фольгу, где электронная волна модулируется облучением ортогонально ориентированным лазером.
Взаимодействие с осциллирующим оптическим полем попеременно ускоряет и замедляет электроны, что приводит к формированию серии аттосекундных импульсов. Эти волновые пакеты состоят примерно из 100 отдельных импульсов, каждый из которых длится около 800 аттосекунд.
Мониторинг сверхбыстрых процессовДля целей микроскопии эти последовательности электронных импульсов имеют одно большое преимущество перед последовательностями аттосекундных оптических импульсов: они имеют гораздо более короткую длину волны.
Поэтому их можно использовать для наблюдения за частицами размером менее 1 нанометра, такими как атомы. Эти особенности делают серии ультракоротких электронных импульсов идеальным инструментом для отслеживания в реальном времени сверхбыстрых процессов, инициированных воздействием световых колебаний на материю.
В своих первых двух экспериментальных испытаниях нового метода мюнхенские исследователи повернули свои последовательности аттосекундных импульсов на кристалле кремния и смогли наблюдать, как распространяются световые циклы и как электронные волновые пакеты преломляются, дифрагируют и рассеиваются в пространстве и времени. . В будущем эта концепция позволит им напрямую измерять, как электроны в кристалле ведут себя в ответ на световые циклы, основной эффект любого взаимодействия света и вещества. Другими словами, процедура достигает субатомного разрешения и суб-светового цикла, и теперь физики могут отслеживать эти фундаментальные взаимодействия в режиме реального времени.Их следующая цель — сгенерировать одиночные аттосекундные электронные волновые пакеты, чтобы с еще большей точностью проследить, что происходит во время субатомных взаимодействий. Новый метод может найти применение при разработке метаматериалов.
Метаматериалы — это искусственные, то есть спроектированные наноструктуры, электрическая и магнитная проницаемость которых значительно отличаются от таковых у обычных материалов. Это, в свою очередь, порождает уникальные оптические явления, которые открывают новые перспективы в оптике и оптоэлектронике.
В самом деле, метаматериалы вполне могут служить базовыми компонентами в будущих световых компьютерах.