Pētnieki no Rēgensburgas Universitātes, Marburgas Filipa universitātes un Forschungszentrum Jülich izstrādājuši jaunu attēlveidošanas paņēmienu, kas apvieno ultrātrus lāzera impulsus ar elektronu mikroskopiju. Tas ļāvis ar attosekunžu precizitāti izsekot elektronu kustībai atomiski plānā grafēnā.

Metode vairāk nekā 100 reižu paplašina impulsa telpas apgabalu, ko iespējams izpētīt ar zemcikla izšķirtspēju, salīdzinot ar iepriekšējām pieejām. Eksperimenti atklāja, kā elektronu izkliede traucē gaismas vadītu kustību, tādējādi sniedzot jaunu informāciju par īpaši ātras elektronu kontroles robežām.

Kā elektroni šķērso enerģijas spraugu

Cietvielās elektroni atrodas noteiktos enerģijas diapazonos jeb joslās. Starp tām var būt enerģijas spraugas — apgabali, kuros elektroni parasti nevar atrasties. Kvantu mehānika tomēr ļauj elektroniem pārvietoties no vienas joslas uz citu, izmantojot tuneļpāreju.

Šādas pārejas iespējamība ir atkarīga no tā, cik ātri elektrons tuvojas enerģijas spraugai. Pētnieki šo procesu identificēja kā Landau–Zēnera–Majoranas pāreju: elektroni pārvietojas starp enerģijas joslām, neieņemot aizliegtos enerģijas stāvokļus, kas tās atdala.

Lai novērotu procesu, komanda izmantoja ārkārtīgi īsus lāzera impulsus un fotoemisijas impulsa mikroskopu. Atšķirībā no parasta mikroskopa, kas palielina fizisku objektu attēlus, šis instruments mēra elektronu enerģiju un kustību, lai kartētu to sadalījumu materiālā.

Lāzera impulsi radīja spēcīgus un strauji mainīgus elektriskos laukus, kas paātrināja elektronus caur grafēna elektronisko enerģijas struktūru. Pētījuma pirmais autors Vinsents Eggers skaidroja: “Ja vēlaties zināt, kurš ir uzvarējis sacīkstēs, jums jāvēro visi dalībnieki. Tāpat mums vienlaikus jānovēro pēc iespējas vairāk elektronu, lai pamanītu tos, kuri kustības laikā piedzīvo kvantu mehānisku pāreju.”

Mērījumi parādīja, ka elektroni eksperimenta apstākļos enerģijas spraugu varēja šķērsot ar tuneļpārejas varbūtību līdz 100%. Tas apliecina, ka pārejas starp nošķirtiem enerģijas stāvokļiem var kļūt ļoti ticamas, ja elektroni tiek pietiekami strauji ierosināti.

Īpaši tīrs materiāls precīziem mērījumiem

Eksperimentā tika izmantoti Forschungszentrum Jülich sagatavoti grafēna paraugi. Grafēns sastāv no viena oglekļa atomu slāņa, kas izkārtots sešstūrainā struktūrā. Tā elektroniskās īpašības padara šo materiālu piemērotu elektronu reakcijas uz ārējiem elektriskajiem laukiem izpētei.

Pētnieki izmantoja īpaši tīrus paraugus, tostarp pagrieztas grafēna struktūras, kas atviegloja kvantu dinamikas novērošanu. Forschungszentrum Jülich pārstāvis Stefans Tautcs norādīja: “Šādiem precīziem eksperimentiem nepieciešams materiāls, kas atomu līmenī ir gandrīz nevainojams. Tas nodrošina, ka piemaisījumi neaizsedz elektronu trauslo kvantu dinamiku.”

Paņēmiens ļāva arī izpētīt, kā mijiedarbība starp elektroniem un kristālisko režģi izjauc sākotnēji saskaņoto kustību. Šo procesu izpratne var palīdzēt noteikt fiziskās robežas elektronu vadībai ar strauji svārstīgiem gaismas laukiem.

Iespējas nākotnes elektronikai

Elektronu vadība ar gaismu tiek pētīta kā iespējams ceļš uz elektroniku, kas darbotos ātrāk nekā ierīces, kurās izmanto tradicionālu sprieguma pārslēgšanu. Pētnieki uzskata, ka viņu pieeju varētu izmantot arī citu kvantu materiālu izpētē, ļaujot tieši pārbaudīt elektronisko uzvedību, ko līdz šim bija grūti novērot.

“Mūsu eksperiments paver panorāmas logu uz kvantu pasauli. Tagad mēs reāllaikā varam sekot tam, kā elektroni pārvietojas pa materiāla enerģijas ainavu. Un tas ir tikai sākums,” sacīja Džakomo Inzani no Rēgensburgas Universitātes.

Pētījums publicēts žurnālā Nature.