Физики смогут уследить за электронами в кристаллах

Разработана измерительная система, которая способна точно формировать ультракороткие световые импульсы - длительностью в триллионные доли микросекунд. Такая система может быть использована для получения «стоп-кадров» поведения электронов в кристаллах.

Луч лазера – единственный инструмент, позволяющий исследовать движение электронов в кристаллах и молекулах, в их естественной «среде обитания». В процессе таких исследований необходимо получить полную и точную информацию о поведении электрического поля световой волны. Для его измерения ученые использовали дискретизацию  непрерывного сигнала, называемую английским словом сэмплинг  (sampling).

Суть дискретизации в том, что измерение нужной величины или фотографирование объекта производится не непрерывно, а через некоторый интервал времени. Чем короче этот интервал, тем выше разрешающая способность метода, тем более быстроменяющиеся процессы  он способен отследить.  

Коллективу физиков под руководством Николаса Карповича из Института квантовой оптики Макса Планка (Гархинг, Германия), где также работает и ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М.В.Ломоносова Михаил Трубецков, удалось показать, что методом сэмплинга можно подробно проследить эволюцию электрического поля исследуемого источника в ближнем инфракрасном диапазоне (длины волн от 700 до 2500 нанометров)  и определить параметры поля.

Ранее такие исследования проводили только с помощью сложных вакуумных экспериментальных систем.  Для дискретизации инфракрасный лазерный импульс сканировался другим лазерным импульсом длительностью в 5 фемтосекунд (1 фемтосекунда – это 10^-15 с). «С помощью этой технологии мы сейчас в состоянии определить не только огибающую этих колебаний, но и непосредственно анализировать форму каждого из них», – отметил Николас Карпович.

Интересно, что в  разработанной технологии фемтосекундный инфракрасный импульс лазера  служит надежным источником для точной генерации  аттосекундных (1 аттосекунда – это 10^-18 секунды) световых импульсов. С помощью таких коротких световых вспышек можно получать «фотографии» электронов в кристаллах и проводить измерения времени с точностью до аттосекунд. Причем, чем лучше известна форма инфракрасных лазерных импульсов, тем точнее эксперименты, дающие нам информацию о явлениях внутри кристаллов. Более того, такие импульсы способны также стимулировать движение электронов в молекулах и кристаллах и, таким образом, изменять их электронные свойства.

Разработанная технология контроля инфракрасных импульсов расширит возможности изучения микромира. Она способна улучшить временное разрешение инфракрасной спектроскопии для изучения биологических и химических проб. С другой стороны, возможно ее дальнейшее технологическое развитие в области передачи данных с помощью света, для чего часто используется свет инфракрасного диапазона с длиной волны примерно 1550 нанометров. Точные измерения дают возможность лучше понять взаимодействие света с веществом в этом важном телекоммуникационном диапазоне.

По словам Михаила Трубецкова, в ходе работы он в основном работал с дисперсионными зеркалами, которые использовались для сжатия импульсов и управления фазовыми характеристиками. «Конечно, без  специальных зеркал эта работа была бы невозможна», – уточнил ученый.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Photonics.

По материалам МГУ
и Института квантовой оптики общества Макса Планка.