Сверхкороткие импульсы света позволили измерить пределы подвижности электронов - «Наука и технологии»

Находясь в пределах своего атома, электроны обладают весьма высокой подвижностью. Однако она, эта подвижность, ограничена некими пределами, которые, в свою очередь, служат ограничением быстродействия оптоэлектронных устройств. И недавно, группа ученых из Института квантовой оптики Макса Планка, Германия, Московского государственного университета имени Ломоносова, Россия, и Техасского университета A&M, США, произвела первые прямые измерения естественной подвижности электронов. Это было сделано при помощи чрезвычайно коротких импульсов света, а измеренное время реакции на них электронов атомов криптона составило порядка 100 аттосекунд.

Данное открытие было сделано благодаря разработке и изготовлению нового научного инструмента, способного вырабатывать мощные и короткие импульсы света. Этот инструмент называется синтезатором светового поля (light-field synthesizer), и он в состоянии производить импульсы света, длительность которых равна половине длительности периода колебаний волны света. "Многие считали, что невозможно произвести волны света, длительность которых меньше одной полной длины волны" - рассказывает Элефтэрайос Гулилмакис (Eleftherios Goulielmakis), ученый, возглавлявший группу из Института Макса Планка.

Новый инструмент работает, используя на входе импульсы света с широким частотным светом. Этот импульс разделяется на четыре импульса, каждый из которых находится в определенном диапазоне частот. После этого производится процесс "сжатия" импульсов при помощи системы колеблющихся зеркал, что позволяет создать четыре сверхкоротких импульса. И, в конце концов, четыре импульса объединяются в один, при этом производится выравнивание длин волн света, а длительность конечного импульса равна половине периода колебания воны света и составляет около 380 аттосекунд (аттосекунда - одна миллионная от одной миллионной от одной миллионной доли секунды).

В этом сверхкоротком импульсе заключено около 50 процентов энергии изначального импульса, и его импульсная мощность составляет 50 гигаватт. Несмотря на столь огромное значение, энергии этого короткого импульса недостаточно для того, чтобы человек что-то почувствовал, попади импульс на поверхность самого чувствительного участка кожи. Однако, этой энергии достаточно для того, чтобы "пнуть" электрон, вращающийся вокруг ядра атома.

Ранее ученые пытались измерить подвижность электронов при помощи импульсов рентгеновского излучения, длина волны которых короче, нежели длительность полученного учеными импульса света. Однако, высокой энергии рентгеновских импульсов хватало для того, чтобы выбить электрон за пределы атома, лишая ученых возможности изучать поведение электронов в пределах атомов. Когда на электрон воздействуют полученные сверхкороткие импульсы света, он отдаляется от ядра атома на значительное расстояние, но остается по-прежнему связанным с ним. "Каждый раз, получив "пинок" импульсом света, электрон начинал колебаться как на пружине, испуская фотоны ультрафиолетового излучения, которые были пойманы и параметры которых были измерены" - рассказывает Элефтэрайос Гулилмакис.

"Бомбардируя" атомы криптона серией аттосекундных импульсов света, ученые смогли произвести запись изменяющихся образцов ультрафиолетового света, произведенного электронами атомов. Параллельно с этим ученые создали математические модели взаимодействия импульсов света с электронами и при их помощи получили результаты, практически полностью совпадающие с экспериментальными данными.

Однако, данные, полученные при помощи математической модели, имели одну особенность. Они указывают на то, что между моментом "точка" электрона импульсом света и его реакцией на это присутствует задержка в 100 аттосекунд. "Этим электрон как бы сообщает нам: "Вы пытаетесь заставить меня двигаться быстрее, но я могу двигаться лишь с такой скоростью, с которой мне позволяют это делать некоторые квантовые характеристики" - рассказывает Гулилмакис, - "Этот эффект давно описан в учебниках по нелинейной оптике, но до последнего времени он считался настолько быстрым, что его невозможно измерить. Но это было верным, когда в распоряжении ученых были только фемтосекундные лазеры, теперь же в нашем распоряжении появились аттосекундные импульсы света и при их помощи мы можем измерить целый ряд величин, которые до этого оставались неизвестными".