Hallita elektroneja alle femtosekunneissa

Laserkenttä (punainen) ravistelee elektroneja grafeenissa ultralyhyissä aikajaksoissa, jotka on esitetty violettina ja sinisinä aaltoina. Toinen laserpulssi (vihreä) voi ohjata tätä aaltoa ja siten määrittää virran suunnan.

Elektronisten järjestelmien hallitseminen valoaaltojen avulla jännitesignaalien sijaan on fyysikoiden unelma kaikkialla maailmassa. Etuna olisi, että sähkömagneettiset valoaallot värähtelevät petahertsien taajuuksilla.

Elektronivirtauksien hallinta valon avulla metalleissa on ollut vaikeaa koska metallit heijastavat valoaaltoja ja niiden sisällä oleviin elektroneihin ei voi vaikuttaa valoaalloilla.

Friedrich-Alexander-Universität (FAU) fyysikot ovat siksi kääntyneet grafeenin puoleen. Tämä puolimetalli koostuu vain yhdestä hiilikerroksesta ja on niin ohut, että riittävästi valoa voi tunkeutua siihen elektronien saattamiseksi liikkeelle.

Aiemmissa tutkimuksissa laserfyysikot ovat onnistuneet tuottamaan sähköisen signaalin vain yhdellä femtosekunnilla käyttämällä erittäin lyhytaikaista laserpulssia.

Näissä nopeuksissa elektronit paljastavat kvanttimallinsa, käyttäytyen kuin aalto. Elektronien aalto liukuu materiaalin läpi, koska sitä ohjaa valokenttä (laserpulssi).

Nyt tutkijat menivät askeleen eteenpäin ja pyrkivät saamaan toisen laserpulssin tähän valoaaltoon. Tämä toinen pulssi mahdollistaa elektronin aallon siirtymisen materiaalin läpi kahdessa ulottuvuudessa.

Toista laserpulssia voidaan käyttää elektronin aallon suunnan kääntämiseen, nopeuttamiseen tai jopa muuttamiseen. Tämä mahdollistaa valoaallon lähettää informaatiota, riippuen toisen pulssin tarkasta ajasta, voimasta ja suunnasta.

Riippuen siitä, miten aliaallot ovat toistensa suhteen, ne joko vahvistavat tai kumoavat toisiaan. Voimme käyttää toista laserpulssia modifioimaan yksittäisiä aaltoja tietyllä tavalla ja siten hallita niiden interferenssiä ", kertoo tutkija Christian Heide.

"Yleensä on hyvin vaikea hallita kvantti-ilmiöitä, kuten esimerkiksi elektronien aalto-ominaisuuksia. Tämä johtuu siitä, että elektronin aalto on erittäin vaikeata säilyttää materiaalissa, koska elektroniaalto siroaa muiden elektronien kanssa ja menettää aalto-ominaisuutensa.

Yleensä tällaiset tutkimukset suoritetaan erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Nyt voimme suorittaa nämä kokeet huoneenlämmössä, koska voimme hallita elektroneja käyttämällä laserpulsseja niin suurilla nopeuksilla, että sillä ei ole aikaa sirontaprosessiin muiden elektronien kanssa.

Se tarkoittaa, että tiedemiehet ovat edistyneet merkittävästi sellaisten elektronisten järjestelmien toteuttamisessa, joita voidaan hallita käyttämällä valoaaltoja. Tulevina vuosina he tutkivat, voidaanko myös muiden kaksiulotteisen materiaalien elektroneja ohjata samalla tavalla.

"Ehkä voimme käyttää materiaalitutkimusta materiaalien ominaisuuksien muokkaamiseen siten, että pian on mahdollista rakentaa pieniä transistoreita, joita voidaan hallita valolla", Heide toteaa.

Aiheesta aiemmin:

Valon ja elektronin yhdistäen