Движение электронов в металлах отслеживается с аттосекундной точностью

При фотоэффекте скорость выбиваемых из металла электронов составляет несколько миллионов метров в секунду, а расстояния, которые они должны покрывать между двумя соседними атомами, очень малы. Это означает, что должны быть разрешены крайне малые отрезки времени для того, чтобы наблюдать электроны, несущиеся через металл.

Измерения в Гархинге (Германия) и теоретические расчеты, выполненные в Венском технологическом университете (Австрия), уже сделали это возможным. Как выяснилось, движение электронов в металле при фотоэффекте очень похоже на баллистическое движение в свободном пространстве. Результаты уже опубликованы в журнале Nature.

Альберт Эйнштейн уже объяснил фотоэлектрический эффект в 1905 году: фотоны передает энергию электронам, выбивая их из металла. Это происходит так быстро, что в течение длительного времени казалось невозможным изучать эволюцию во времени этого процесса. В последние годы, однако, аттосекундная физика достигла значительных успехов, так что разрешение во времени этого процесса стало возможным.

Аттосекунда – это одна миллиардная миллиардной доли секунды (10^-18 с). Это, примерно, время, за которое свет распространяется от одного атома к другому. Использование сверхкоротких лазерных импульсов позволяет измерять отрезки времени с точностью до аттосекундного диапазона.

Данные, которые уже опубликованы в Nature, были получены в Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге в сотрудничестве с ТУ Мюнхена, Институтом Фрица Габера в Берлине, Институтом Макса Планка по структуре и динамике материи в Гамбурге и Университетом Людвига Максимилиана в Мюнхене. Для того, чтобы анализировать и интерпретировать результаты, в Венском технологическом университете были разработаны теоретические и масштабные компьютерные модели.

«Эксперимент позволяет нам наблюдать гонку электронов», – говорит проф. Йоахим Бургдорфер (Joachim Burgdorfer) (ТУ Вена). Два разных металла – вольфрам и магний – укладываются в стопку и бомбардируются лазерным импульсом. Либо в магнии, либо вольфраме свет может выбить электроны, которые затем находят свой путь на поверхность. Расстояние, которое электроны должны покрывать, меньше нанометра, но все же можно определить, выбит ли электрон из слоя магния, поскольку он прибывает несколько раньше, чем электрон из слоя вольфрама.

Дистанцию этой гонки можно изменять: от одного до пяти атомных слоев магния могут быть осаждены на вольфрам. Чем толще слой магний, тем больше выбивается из него первых электронов по сравнению с электронами, поступающими из слоя вольфрама. Простое соотношение между толщиной слоя и временем прибытия показывает, что электроны движутся по металлу по баллистическим  довольно прямым линиям. Сложные процессы рассеяния не играют на этих временных и пространственных масштабах большой роли.

Для точного измерения времени очень важно иметь хорошо определенную линию финиша. Для фотофиниша был использован второй лазер. Он воздействует на электроны, как только они покинули металл, но не раньше. Лазерный луч не должен проникать в металл. Поле лазерного луча уменьшается практически до нуля в наружном слое, тогда как прямо вне металла электроны сразу же попадают в сильное лазерное поле. Этот резкий контраст и дает возможность выполнять эти чрезвычайно точные измерения времени.

Как ожидается, новые результаты, должны помочь дальнейшей миниатюризации электронных и фотонных элементов, и они являются еще одним доказательством удивительных возможностей аттосекундной физики. «Это новая область исследований дает нам новые методы для развития квантовых технологий и изучения фундаментальных вопросов материаловедения и электроники», - говорит проф. Бургдорфер.

На этом изображении лазерный луч выбивает электроны из слоистой структуры металла. Аттосекундная технология позволяет ученым измерять задержку времени между электронами, вылетающими из разных слоев металла

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365