Driften av komponenter för framtida datorer kan nu filmas i HD-kvalitet, så att säga. Manish Garg och Klaus Kern, forskare vid Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart, har utvecklat ett mikroskop för de extremt snabba processer som sker på kvantskalan. Detta mikroskop - en sorts HD-kamera för kvantvärlden - tillåter exakt spårning av elektronrörelser ner till den individuella atomen. Det bör därför ge användbara insikter när det gäller att utveckla extremt snabba och extremt små elektroniska komponenter, till exempel.

De processer som äger rum i kvantvärlden utgör en utmaning för även de mest erfarna fysikerna. Till exempel, de saker som sker inuti de allt kraftfullare komponenterna i datorer eller smartphones händer inte bara extremt snabbt utan också inom ett allt mindre utrymme. När det gäller att analysera dessa processer och optimera transistorer, till exempel, videor av elektronerna skulle vara till stor nytta för fysiker. För att uppnå detta, forskare behöver en höghastighetskamera som exponerar varje bildruta i denna "elektronvideo" i bara några hundra attosekunder. En attosekund är en miljarddels miljarddels sekund; på den tiden, ljus kan bara färdas längs med en vattenmolekyl. Under ett antal år har fysiker har använt laserpulser av tillräckligt kort längd som en attosekundkamera.

Förr, dock, en attosecond-bild levererade bara en ögonblicksbild av en elektron mot vad som i huvudsak var en suddig bakgrund. Nu, tack vare Klaus Kerns arbete, Direktör vid Max Planck Institute for Solid State Research, och Manish Garg, en vetenskapsman vid Kerns avdelning, forskare kan nu också identifiera exakt var den filmade elektronen finns ner till den enskilda atomen.

Ultrakorta laserpulser kombinerat med ett scanning tunnelmikroskop

Att göra detta, de två fysikerna använder ultrakorte laserpulser i samband med ett scanningstunnelmikroskop. Den senare uppnår upplösning i atomär skala genom att skanna en yta med en spets som i sig själv helst består av bara en enda atom. Elektroner tunnelerar mellan spetsen och ytan – det vill säga de korsar det mellanliggande utrymmet trots att de faktiskt inte har tillräckligt med energi för att göra det. Eftersom effektiviteten av denna tunnelprocess beror starkt på avståndet som elektronerna måste färdas, den kan användas för att mäta utrymmet mellan spetsen och ett prov och därför att avbilda även enskilda atomer och molekyler på en yta. Tills nu, dock, scanning tunnelmikroskop uppnådde inte tillräcklig tidsupplösning för att spåra elektroner.

"Genom att kombinera ett skannande tunnelmikroskop med ultrasnabba pulser, det var lätt att använda fördelarna med de två metoderna för att kompensera för sina respektive nackdelar, " säger Manish Garg. Forskarna avfyrar dessa extremt korta ljuspulser mot mikroskopspetsen - som är placerad med atomär precision - för att utlösa tunnlingsprocessen. Som ett resultat, denna höghastighetskamera för kvantvärlden kan nu också uppnå HD-upplösning.

banar väg för ljusvågselektronik, vilket är miljontals gånger snabbare

Med den nya tekniken, fysiker kan nu mäta exakt var elektronerna befinner sig vid en specifik tidpunkt ner till den enskilda atomen och med en noggrannhet på några hundra attosekunder. Till exempel, detta kan användas i molekyler som har fått en elektron katapulterad ur dem av en högenergipuls av ljus, leder till att de återstående negativa laddningsbärarna ordnar om sig själva och eventuellt får molekylen att gå in i en kemisk reaktion med en annan molekyl. "Att filma elektroner i molekyler lever, och på deras naturliga rumsliga och tidsmässiga skala, är avgörande för att förstå kemisk reaktivitet, till exempel, och omvandlingen av ljusenergi i laddade partiklar, såsom elektroner eller joner, säger Klaus Kern, Direktör vid Max Planck Institute for Solid State Research.

Dessutom, Tekniken tillåter inte bara forskare att spåra elektronernas väg genom framtidens processorer och chips, men kan också leda till en dramatisk acceleration av laddningsbärarna:"I dagens datorer, elektroner oscillerar med en frekvens av en miljard hertz, " säger Klaus Kern. "Med ultrakorta ljuspulser, det kan vara möjligt att öka deras frekvens till en biljon hertz." Med denna turbobooster för ljusvågor, forskare kan bana väg för ljusvågselektronik, vilket är miljontals gånger snabbare än nuvarande datorer. Därför, det ultrasnabba mikroskopet filmar inte bara processer i kvantvärlden, men fungerar också som direktör genom att störa dessa processer.