Fysiker baserade vid Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München och Max Planck Institute for Quantum Optics har observerat ett ljusmateriafenomen i nanoskala som bara varar i attosekunder.

När ljus träffar en metall, dess elektromagnetiska fält exciterar vibrationer av elektronerna i metallen. Denna interaktion resulterar i bildandet av så kallade närfält - elektromagnetiska fält som är lokaliserade nära metallens yta. Exakt hur sådana närfält beter sig under påverkan av ljus har nu undersökts av ett internationellt team av fysiker vid LMU München och Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ), i nära samarbete med forskare vid lärostolen för laserfysik vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Forskarna fokuserade intensiva infraröda laserpulser på en guld nanonål. Dessa pulser är så korta att de endast består av ett fåtal svängningar av ljusfältet. När ljuset träffar nanotråden exciterar det kollektiva vibrationer av elektronerna som är associerade med guldatomerna nära trådens yta. Dessa elektronrörelser är ansvariga för genereringen av närfält vid ytan av tråden.

För att studera tidpunkten för närfältets svar på ljusfältet, fysikerna riktade en andra ljuspuls med en extremt kort varaktighet på bara ett par hundra attosekunder (1 som varar i en miljarddels miljarddels sekund) mot nanostrukturen mycket kort efter den första ljuspulsen. Denna andra blixt tar faktiskt loss några elektroner från nanotråden. När de når ytan, de accelereras av närfälten och kan detekteras, gör att dynamiken i närfälten kan karakteriseras. Analys av dessa elektroner visade att närfälten svängde med en tidsförskjutning på cirka 250 attosekunder i förhållande till det infallande ljuset, och att de var ledande i sina vibrationer. Med andra ord, närfältsvibrationerna nådde sin maximala amplitud 250 attosekunder tidigare än ljusfältets vibrationer.

"Fält och ytvågor som genereras i nanostrukturer är av central betydelse för utvecklingen av optoelektronik. Med den bildteknik vi har visat här, de kan nu lösas skarpt, " förklarar professor Matthias Kling, ledaren för gruppen Ultrasnabb nanofotonik vid institutionen för fysik vid LMU.

Experimenten banar väg för mer komplexa studier av ljus-materia-interaktioner i metaller som är av intresse för nanooptik och framtidens ljusdrivna elektronik. Sådan elektronik skulle fungera vid ljusets frekvenser. Optiska fält oscillerar med hastigheter på en miljon miljarder gånger per sekund, d.v.s. med petahertz-frekvenser - cirka 100, 000 gånger snabbare än de klockfrekvenser som kan uppnås i konventionella elektroniska enheter.