Nowa metoda wykrywania elektronów
Dotychczasowe podejścia miały poważne ograniczenia czasowe. Gdy elektrony wchodzą w interakcje, procesy te trwają zaledwie kilka pikosekund (trylionowych części sekundy), co przekraczało możliwości tradycyjnych technik pomiarowych. Te ostatnie operowały w zakresie nanosekund lub mikrosekund. To tak, jakby ktoś próbował sfotografować pocisk z karabinu zwykłym smartfonem.
Zespół z Wielkiej Brytanii i Korei Południowej pod kierunkiem Masayi Kataoki opracował sprytne rozwiązanie. Badacze wstrzykują dwa elektrony do cienkiej warstwy arsenku galu i śledzą jeden z nich, by wykryć obecność drugiego. Sekret tkwi w wykorzystaniu dalekozasięgowych oddziaływań elektrostatycznych. Gdy ścieżki cząstek zbliżają się, siła Coulomba odpycha je, powodując zauważalne odchylenie toru. Ten subtelny efekt pozwala na detekcję z niespotykaną dotąd rozdzielczością czasową 6 pikosekund. Jest to około 100-krotnie szybciej niż wcześniejsze metody.
Czytaj też: Reakcje chemiczne wbrew prawom fizyki. Zagadka rozwiązana po 9 latach
Dlaczego to takie ważne? W tradycyjnej elektronice pracujemy z całymi strumieniami cząstek, co generuje straty energii i ogranicza miniaturyzację. Kontrola pojedynczych elektronów mogłaby zupełnie zmienić reguły gry. Urządzenia oparte na tej technologii byłyby nie tylko mniejsze, ale też łatwiejsze do integracji na chipach niż rozwiązania wykorzystujące fotony. Pojedynczy elektron to cząstka z natury kwantowa, co otwiera drzwi do praktycznego wykorzystania jego właściwości. Wśród potencjalnych zastosowań badacze wymieniają ultraprecyzyjne pomiary w metrologii kwantowej, przetwarzanie informacji w komputerach kwantowych oraz nowe strategie w optyce elektronowej. Przejście do komercyjnych rozwiązań często zajmuje lata, a kwantowe systemy bywają kapryśne. Niemniej, sama możliwość tak precyzyjnej kontroli to krok milowy.
Wpływ na naukę i przemysł
Kataoki nazwał swój eksperyment najmniejszym na świecie czujnikiem wykrywającym najmniejszy na świecie obiekt – elektron. To zapowiedź realnych zmian. Technologia może zrewolucjonizować sposób definiowania jednostki prądu elektrycznego poprzez udoskonalenie tzw. pomp elektronowych stosowanych w metrologii.
Zdolność do wykrywania pojedynczych elektronów balistycznych, które poruszają się przez materiał bez rozpraszania, jest przydatna w niektórych zastosowaniach w metrologii kwantowej, przetwarzaniu informacji kwantowych oraz w powstającej dziedzinie optyki kwantowej elektronów — zauważa Ryan Wilkinson
Czytaj też: Zapomnij o wszystkim co wiesz o fizyce kwantowej. Nowe odkrycie podważa fundamentalne założenia nauki
Nowa metoda tworzy też unikalną platformę do badania fundamentalnych interakcji między cząstkami. Dzięki niej naukowcy mogą wreszcie odpowiedzieć na pytania, jak elektrony zachowują się w skali nano, co przełoży się na projektowanie wydajniejszych układów. To jak otrzymanie mikroskopu elektronowego do obserwacji procesów, które dotąd tylko teoretyzowaliśmy. Sama możliwość “widzenia” pojedynczych elektronów w czasie rzeczywistym zmienia perspektywę. Być może za kilkanaście lat, patrząc na kolejny przełom w elektronice, wspomnimy ten eksperyment jako moment, w którym wszystko się zaczęło.