Kvanttiversio Hertsin kipinästä

1880-luvulla Heinrich Hertz havaitsi, että kahden metallikappaleen välissä hyppäävä kipinä emittoi valon välähdyksen jonka antenni voi poimia. Sieltä on sittemmin siirrytty langattomaan radioviestintään.

Regensburgin yliopiston tutkijat ovat nyt pystyneet suoraan tarkkailemaan kvanttiversiota Hertzin kipinästä, joka hyppää vain kahden atomin välillä mittaamalla sen emittoiman valon oskilogrammin ajallisesti, nopeammin kuin yhden valoaallon värähtelyjakso.

Tämä uusi signaali mahdollisti kauan haetun tavoitteen saavuttamisen: atomitilan resoluutio täysoptisessa mikroskopiassa. Ennennäkemättömänä viestintäkanavana kvanttimaailman kanssa tämä signaali voi olla ratkaisevan tärkeä supernopeiden kvanttiteknologioiden kehittämisessä, koska se antaa uusia näkemyksiä yksittäisten atomien pituuksissa tapahtuvista prosesseista ja aikaskaaloista, jotka ovat nopeampia kuin sekunnin biljoonaosa.

Fyysikot käyttivät atomisesti terävää kärkeä valon keskittämiseen kärjen huipun ja näytepinnan väliseen pieneen rakoon, jota kutsutaan lähikenttäalueeksi – tällä kertaa rako pidettiin vain muutaman atomin levyisenä alle atomin tarkkuudella.

Klassisessa fysiikassa, jossa elektronit kuvitellaan pieninä, varautuneina hiukkasina, elektronit eivät voi tunkeutua tähän aukkoon. Atomikärjen ja näytteen läheisyys paljastaa kuitenkin hiukkasten toisen luonteen kvanttimekaniikassa: niiden aaltomaisen käyttäytymisen.

Tämä kvanttinen aalto-hiukkas kaksinaisuus ilmenee kokeellisesti mitattavana elektronien virrassa, joka tunneloituu pienen raon läpi. Mutta nyt tätä prosessia ohjataan erittäin nopeasti käyttämällä valoaaltoja, nopeimpia vaihtuvia sähkökenttiä, joita fyysikot voivat hallita. Värähtelevän valon sähkökenttä huuhtelee tunneloituvia elektroneja edestakaisin kärjen raja-atomin ja näytteen välillä ja tuottaen siten Hertzin kipinän kvanttiversion.

Kirjoittajat antoivat tälle uudelle tekniikalle nimen "lähikentän optinen tunnelointiemissio" (NOTE) -mikroskopia. Nämä löydökset avaavat oven suoraan aineaaltojen havainnointiin, jotka pyörivät atomien pituuksilla hidastettuna. Tulokset on julkaistu Naturessa.

Nämä uudet konstit edustavat uraauurtavaa edistystä optisessa mikroskopiassa ja tuovat sen äärimmäiseen pituuden ja ajan asteikkoon samanaikaisesti. Ultranopeiden tunnelointivirtojen suora havainnointi voisi mahdollistaa ennennäkemättömän ymmärryksen elektronisen dynamiikan kvanttimateriaaleihin ja kvanttialustojen laskentaan sekä tietojen tallentamiseen.

Lisäksi NOTE avaa oven atomimittakaavaiselle vahvan kentän dynamiikkaan, kuten valoaaltoelektroniikkaan. Tämän kommunikaatiokanavan löytäminen kvanttimaailman ohessa voisi, aivan kuten Hertzin yli 100 vuotta sitten tekemät löydöt, herättää vallankumouksen tiedonsiirrossa. Lisäksi se voi olla avainasemassa huomisen laitteita muokkaavan mikroskooppisen dynamiikan ymmärtämisessä.

Aiheesta aiemmin:

RF- ja mikroaaltosignaalien kvanttikäsittelyä