Свет способен высвобождать электроны с металлических поверхностей. Это наблюдение уже было сделано в первой половине 19 века Александром Эдмоном Беккерелем и позже подтверждено в различных экспериментах, в частности Генрихом Герцем и Вильгельмом Халльваксом. Поскольку фотоэлектрический эффект не мог быть согласован с теорией световых волн, Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен состоять не только из волн, но и из частиц. Он заложил основы квантовой механики.

Сильный лазерный луч позволяет электронам туннелировать

С развитием лазерных технологий исследования фотоэлектрического эффекта получили новый импульс. "Сегодня мы можем генерировать чрезвычайно сильные и ультракороткие лазерные импульсы в широком разнообразии спектральных цветов", - объясняет профессор Питер Хоммельхофф, заведующий кафедрой лазерной физики физического факультета FAU. "Это вдохновило нас на то, чтобы фиксировать и контролировать продолжительность и интенсивность электронного высвобождения металлов с большей точностью". До сих пор ученым удавалось точно определять динамику электронов в газах, индуцируемую лазером, только с точностью до нескольких аттосекунд. Квантовая динамика и временные интервалы излучения еще не были измерены на твердых телах.

Это именно то, что исследователям из FAU, Университета Ростока и Университета Констанца впервые удалось сделать. Для этого они использовали специальную стратегию: вместо просто сильного лазерного импульса, который испускает электроны острым вольфрамовым наконечником, они также использовали второй, более слабый лазер с удвоенной частотой. "В принципе, вы должны знать, что при очень сильном лазерном излучении за высвобождение электронов отвечают уже не отдельные фотоны, а скорее электрическое поле лазера", - объясняет доктор Филип Динстбир, научный сотрудник кафедры Питера Хоммельхоффа и ведущий автор исследования. "Затем электроны туннелируют через границу раздела металла в вакуум". Преднамеренно накладывая две световые волны, физики могут управлять формой и напряженностью лазерного поля, а следовательно, и излучением электронов.

Схемы в миллион раз быстрее

В ходе эксперимента исследователи смогли определить продолжительность электронного потока с точностью до 30 аттосекунд - тридцати миллиардных долей миллиардной доли секунды. Это сверхточное ограничение временного интервала выбросов могло бы в равной степени способствовать продвижению фундаментальных исследований и исследований, связанных с приложениями. "Сдвиг по фазе двух лазерных импульсов позволяет нам глубже понять туннельный процесс и последующее движение электрона в лазерном поле", - говорит Филип Динстбир. "Это позволяет по-новому взглянуть на квантово-механическое излучение как твердого тела, так и используемых световых полей".

Наиболее важной областью применения является электроника, управляемая световым полем: с помощью предлагаемого двухцветного метода лазерный луч можно модулировать таким образом, чтобы можно было генерировать точно определенную последовательность электронных импульсов и, следовательно, электрических сигналов. Динстбир: "В обозримом будущем станет возможным интегрировать компоненты нашей тестовой установки - источники света, металлический наконечник, электронный детектор - в микрочип". Тогда возможны сложные схемы с полосой пропускания до петагерцового диапазона, которые будут почти в миллион раз быстрее, чем современная электроника.