På 1880-talet upptäckte Heinrich Hertz att en gnista som hoppar mellan två metallstycken avger en ljusblixt - snabbt oscillerande elektromagnetiska vågor - som kan fångas upp av en antenn. För att hedra hans banbrytande arbete döptes frekvensenheten till "Hertz" 1930. Hertz resultat användes senare av Guglielmo Marconi (Nobelpriset i fysik, 1909) för att överföra information över långa avstånd som skapade radiokommunikation och revolutionerade trådlös telegrafi – vilket formade modern värld fram till idag.
Forskare från Institutionen för fysik och Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN), University of Regensburg, har nu direkt kunnat observera en kvantversion av Hertz gnista som hoppar mellan bara två atomer genom att mäta oscillogrammet av ljuset den avger med temporal precision snabbare än en enda svängningscykel för ljusvågen.
Denna nya signal gjorde det möjligt att uppnå ett länge eftersträvat mål:atomär rumslig upplösning i helt optisk mikroskopi. Som en aldrig tidigare skådad kommunikationskanal med kvantvärlden kan denna signal vara avgörande för utvecklingen av supersnabba kvantteknologier eftersom den ger nya insikter i processerna som sker på längdskalor av enstaka atomer och tidsskalor snabbare än en biljondels sekund.
Teamet av fysiker använde en atomärt skarp spets för att fokusera ljus i det lilla gapet mellan spetsens spets och en provyta som kallas närfältsregionen – den här gången hölls gapet bara några atomer brett med subatomär precision.
I klassisk fysik, där elektroner föreställs som små laddade partiklar, kan elektroner inte penetrera detta gap. Emellertid avslöjar atomspets-provets närhet den andra naturen hos partiklar i kvantmekaniken:deras vågliknande beteende. Det mesta av elektronvågen kommer att vara i spetsen, men en liten del kommer också att finnas över gapet inuti provet, som om en person stod på båda sidor om en dörr samtidigt.
Denna kontraintuitiva kvantvåg-partikeldualitet manifesterar sig i en experimentellt mätbar ström av elektroner som tunnlar genom det lilla gapet. Ändå drivs denna process extremt snabbt genom att använda ljusvågor, de snabbaste alternerande elektriska fälten fysiker kan kontrollera. Det oscillerande elektriska ljusfältet spolar tunnelelektronerna fram och tillbaka mellan spetsens gränsatom och provet, vilket driver kvantversionen av Hertz gnista.
"Att detektera Hertzian-emissionen från en handfull elektroner per svängningscykel av ljus lät till en början som ett omöjligt uppdrag", säger första författaren, Tom Siday. "Föreställ dig vår förvåning när vi upptäckte en stark signal - allt tack vare den ultrastabila spetsen som fungerar som en antenn som sänder denna våg från atomskalan."
Författarna kallade denna nya teknik "närfälts optisk tunnelemission" (OBS) mikroskopi. Dessa fynd öppnar dörren för att direkt observera materiavågor rulla på atomära längdskalor i slow motion. Resultaten publiceras i Nature .
Denna genombrottsupptäckt har blivit möjlig med ett unikt ultrasnabbt optiskt mikroskop som kombinerar extrem rumslig upplösning hos ett toppmodernt skanningssondmikroskop med helt optisk - "ljus in, ljus ut" - signalmätning.
"Elektronik är fenomenalt känslig men för långsam för att direkt följa de nuvarande svängningarna i den ljusvågsdrivna kvantgnistan, så man måste titta in i svängningarna i själva det utsända ljuset", förklarar seniorförfattaren Rupert Huber.
"NOTE föddes när vi observerade att inkommande och utgående ljusvågor skiftades i tiden med en fjärdedel av svängningsperioden - bara en kvarts biljondels sekund i vårt experiment! Vi var tvungna att se till att hela vår optiska inställning är tillräckligt stabil för att upptäcka denna lilla förändring och att vi har absolut kontroll över det oscillerande ljusfältet", fortsätter en av huvudförfattarna, Johannes Hayes.
"Antennspetsen måste förbli ovanpå samma atom, även i hjärtat av det intensiva fokuset av kraftfulla laserpulser - allt inom ett avstånd av mindre än en tiotusendel av diametern på ett människohår. Endast det mest stabila experimentella förhållandena är precis tillräckligt bra", avslutar en annan huvudförfattare, Felix Schiegl.
Att dechiffrera denna kvanttelegrafiska signal är fortfarande utmanande. Det räcker inte att bara betrakta de två atomerna, mellan vilka kvantgnistan hoppar, eftersom dynamiken i hög grad påverkas av omgivningen. Att simulera från första principer kvantsvaret på svindlande 10 10 atomer, använde Jan Wilhelm en superdator för att reproducera signaturens tidsförskjutning av NOTE-signalen och ge första insikter om det ljusvågsdrivna kvantflödet av elektroner och distorsion av atomära orbitaler.
NOTE har redan gjort det möjligt att avslöja ny fysik. "Elektroner som passerar från spetsen till provet och sedan återvänder tillbaka är nästan hypotetiska - osynliga för elektronik, men inte att NOTERA", förklarar motsvarande författare Yaroslav Gerasimenko.
"De måste bara stanna under spetsen tills ljusfältet ändrar riktning för att kunna återvända." Genom att titta på en atomärt tunn isolator – ett material som motverkar spridning av elektroner – fick fysikerna en första glimt av dessa ultrasnabba materieströmmar och kan nu titta på tidigare gömd dynamik i atomär skala i isolerande lager som finns överallt inom elektronik och solceller.
Dessa nya resultat presenterar ett banbrytande framsteg inom optisk mikroskopi, vilket ger den ultimata längd- och tidsskalorna samtidigt. Direkt observation av ultrasnabba tunnelströmmar kan möjliggöra oöverträffad förståelse av elektronisk dynamik i kvantmaterial och kvantplattformar för beräkning och datalagring.
NOTE öppnar dessutom dörren till starkfältsdynamik i atomär skala såsom ljusvågselektronik. Upptäckten av denna kommunikationskanal med kvantvärlden kan, precis som Hertz upptäckter för över 100 år sedan, utlösa en revolution inom informationsöverföring. Dessutom kan det vara nyckeln till att förstå den mikroskopiska dynamiken som formar morgondagens enheter.
Mer information: Thomas Siday et al, All-optical subcycle microscopy on atomic length scales. Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07355-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07355-7
Forskningsinformation:Natur (2024). DOI:10.1038/d41586-024-01294-z
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Regensburg
