|
Стал доступен атомарный телеграф
|
|
|
|
В 1880—х годах Генрих Герц обнаружил, что искра, проскакивающая между двумя кусками металла, испускает вспышку света — быстро колеблющиеся электромагнитные волны, которые могут улавливаться антенной. В честь его новаторской работы в 1930 году единица измерения частоты была названа "Герц". Открытия Герца позже были использованы Гульельмо Маркони (Нобелевская премия по физике, 1909) для передачи информации на большие расстояния, что привело к созданию радиосвязи и революционизировало беспроводную телеграфию, формирующую современный мир до сегодняшнего дня. Ученые из физического факультета и Регенсбургского центра сверхбыстрой наноскопии (RUN) Университета Регенсбурга теперь смогли непосредственно наблюдать квантовую версию искры Герца, проскакивающей всего между двумя атомами, измерив осциллограмму испускаемого ею света с временной точностью, превышающей один цикл колебаний атома. световая волна.
|
|
|
|
Этот новый сигнал позволил достичь долгожданной цели: атомарного пространственного разрешения в полностью оптической микроскопии. Являясь беспрецедентным каналом связи с квантовым миром, этот сигнал может иметь решающее значение для развития сверхбыстрых квантовых технологий, поскольку он дает новое представление о процессах, происходящих в масштабах отдельных атомов и во времени быстрее, чем за триллионную долю секунды. Команда физиков использовала атомарно острый наконечник, чтобы сфокусировать свет в крошечном зазоре между вершиной наконечника и поверхностью образца, называемом областью ближнего поля - на этот раз зазор был всего в несколько атомов шириной с субатомной точностью. В классической физике, где электроны рассматриваются как мельчайшие заряженные частицы, электроны не могут проникнуть через этот промежуток. Однако близость атомного острия к образцу раскрывает вторую природу частиц в квантовой механике: их волнообразное поведение. Большая часть электронной волны будет приходиться на кончик, но небольшая часть также будет проходить через зазор внутри образца, как если бы человек стоял по обе стороны двери одновременно.
|
|
|
Этот противоречащий здравому смыслу квантово-корпускулярно-волновой дуализм проявляется в экспериментально измеримом потоке электронов, проходящих туннелирование через крошечный зазор. Однако сейчас этот процесс осуществляется чрезвычайно быстро с помощью световых волн - самых быстрых переменных электрических полей, которые могут контролировать физики. Колеблющееся электрическое поле света перемещает туннельные электроны взад и вперед между пограничным атомом наконечника и образцом, тем самым приводя в действие квантовую версию искры Герца. "Поначалу обнаружение излучения Герца от горстки электронов за цикл колебаний света казалось невыполнимой задачей", - говорит первый автор Том Сидей. "Представьте наше удивление, когда мы обнаружили сильный сигнал — и все это благодаря сверхстабильному наконечнику, действующему как антенна, передающая эту волну на атомном уровне".
|
|
|
|
Авторы назвали этот новый метод "ближнепольной оптической туннельной эмиссионной микроскопией". Эти результаты открывают путь к непосредственному наблюдению за замедленным распространением волн материи на атомных расстояниях. Результаты опубликованы в журнале Nature. Это революционное открытие стало возможным благодаря уникальному сверхбыстрому оптическому микроскопу, сочетающему высочайшее пространственное разрешение современного сканирующего зондового микроскопа с полностью оптическим измерением сигнала - "свет входит, свет выходит". "Электроника феноменально чувствительна, но слишком медленна, чтобы непосредственно следить за колебаниями тока в квантовой искре, управляемой световыми волнами, поэтому необходимо заглянуть внутрь колебаний самого излучаемого света", - объясняет старший автор Руперт Хубер.
|
|
|
|
"NOTE родилась, когда мы заметили, что входящие и исходящие световые волны были сдвинуты во времени на четверть периода колебаний — всего на четверть триллионной доли секунды в нашем эксперименте! Мы должны были убедиться, что вся наша оптическая установка достаточно стабильна, чтобы обнаружить это крошечное смещение, и что мы полностью контролируем колеблющееся световое поле", - продолжает один из ведущих авторов, Йоханнес Хейс. "Наконечник антенны должен оставаться на вершине того же атома, даже в центре интенсивного воздействия мощных лазерных импульсов — и все это на расстоянии менее одной десятитысячной диаметра человеческого волоса. Только самые стабильные условия эксперимента являются достаточно хорошими", - заключает другой ведущий автор, Феликс Шигль.
|
|
|
|
Расшифровка этого квантового телеграфного сигнала по-прежнему остается сложной задачей. Недостаточно рассматривать только два атома, между которыми проскакивает квантовая искра, поскольку на динамику сильно влияет окружающая среда. Чтобы смоделировать на основе первых принципов квантовый отклик ошеломляющих 1010 атомов, Ян Вильгельм использовал суперкомпьютер для воспроизведения характерного временного сдвига сигнала NOTE и получения первого представления о квантовом потоке электронов, управляемом световыми волнами, и искажении атомных орбиталей. NOTE уже позволил раскрыть новые физические возможности. "Электроны, перемещающиеся от наконечника к образцу и затем возвращающиеся обратно, являются почти гипотетическими — невидимыми для электроники, но не для того, чтобы их можно было заметить", - объясняет автор-корреспондент Ярослав Герасименко.
|
|
|
|
"Они просто должны оставаться под наконечником до тех пор, пока световое поле не изменит свое направление, чтобы иметь возможность вернуться". Рассматривая изолятор атомной толщины — материал, который препятствует распространению электронов, — физики получили первое представление об этих сверхбыстрых потоках вещества и теперь могут изучить ранее скрытую динамику на атомном уровне в изолирующих слоях, повсеместно используемых в электронике и фотовольтаике. Эти новые результаты представляют собой революционный шаг вперед в оптической микроскопии, который позволяет одновременно достичь максимального масштаба длины и времени. Прямое наблюдение сверхбыстрых туннельных токов может обеспечить беспрецедентное понимание электронной динамики в квантовых материалах и квантовых платформах для вычислений и хранения данных. Кроме того, NOTE открывает двери для динамики сильных полей атомного масштаба, такой как световолновая электроника. Открытие этого канала связи с квантовым миром может, подобно открытиям Герца более 100 лет назад, вызвать революцию в области передачи информации. Более того, это может стать ключом к пониманию микроскопической динамики, формирующей устройства завтрашнего дня.
|
|
|
|
Источник
|
