Elektrony poruszają się niezwykle szybko, a ich zachowanie pod wpływem intensywnego promieniowania świetlnego jest jednym z ważnych zagadnień współczesnej fizyki. Do tej pory naukowcy mieli jednak ograniczone możliwości obserwowania tych procesów w czasie rzeczywistym. Właśnie dlatego tak wielkim sukcesem okazał się eksperyment uczonych z Uniwersytetu w Ratyzbonie oraz Uniwersytetu Filipa w Marburgu.
Czytaj też: Zapomniany materiał sprzed lat skrywa strukturę mogącą odmienić przyszłość technologii
Członkowie tamtejszego zespołu zobrazowali ruch elektronów w grafenie z rozdzielczością pozwalającą śledzić zmiany zachodzące w trakcie pojedynczego cyklu fali świetlnej. O kulisach swoich działań piszą w Nature i podkreślają, że zastosowane podejście pozwala zarówno obserwować przemieszczanie się elektronów, jak i śledzić zmiany ich rozkładu energetycznego oraz pędu pod wpływem silnego pola elektromagnetycznego.
Na pierwszy plan w prowadzonych badaniach wysunął się grafen, czyli materiał zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w strukturę przypominającą plaster miodu. Od lat wzbudza on ogromne zainteresowanie naukowców ze względu na wyjątkowe właściwości elektryczne, optyczne i mechaniczne. Elektrony w grafenie zachowują się w pewnych warunkach tak, jakby miały właściwości cząstek relatywistycznych. Dzięki temu materiał stanowi doskonałe środowisko do badania zjawisk, które trudno zaobserwować w innych substancjach.
Badacze z Niemiec wykorzystali intensywne impulsy światła podczerwonego o częstotliwości 30 THz, aby wprawić elektrony w kontrolowany ruch. Następnie zastosowali ultrakrótkie impulsy promieniowania ekstremalnego ultrafioletu, które pozwoliły zarejestrować ich zachowanie. W ten sposób powstały kolejne migawki pokazujące zmiany zachodzące w strukturze elektronowej materiału.
Najważniejszym osiągnięciem zespołu było bezpośrednie zobrazowanie tunelowania Landaua-Zenera-Majorany (LZM). Jest to zjawisko kwantowe polegające na przechodzeniu elektronów pomiędzy różnymi pasmami energetycznymi pod wpływem silnego pola elektrycznego. Mówiąc krótko, odpowiednio silna fala świetlna może wpływać na to, w jakim stanie energetycznym znajduje się elektron, a nawet umożliwiać mu przejście do innego pasma. Proces ten zachodzi niezwykle szybko i jest istotny dla zrozumienia oddziaływania światła z materią.
Czytaj też: Kwantowe ograniczenie prędkości termalizacji. Fizycy udowadniają uniwersalne ograniczenie
W przeprowadzonym eksperymencie naukowcy zaobserwowali, iż rozkład elektronów początkowo przesuwa się w określonym kierunku, a następnie ulega deformacji, przyjmując wydłużony, eliptyczny kształt. Z czasem widoczne stają się również efekty rozpraszania, które zmieniają sposób rozłożenia elektronów w materiale. Zastosowana metoda pozwala obserwować dynamikę elektronów w całej pierwszej strefie Brillouina, czyli obszarze przestrzeni pędu opisującym zachowanie elektronów w krysztale. Dostępny zakres obserwacji zwiększono ponad stukrotnie w porównaniu z wcześniejszymi możliwościami.
A jakie mogą wynikać z tego praktyczne korzyści? Lepsze zrozumienie sposobu, w jaki światło wpływa na ruch elektronów, może pomóc w projektowaniu zupełnie nowych urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków jest elektronika fal świetlnych, w której sygnały i procesy elektroniczne byłyby kontrolowane za pomocą odpowiednio ukształtowanych impulsów światła. W przyszłości mogłoby to umożliwić tworzenie układów działających z ogromną szybkością, znacznie wykraczającą poza możliwości tradycyjnych rozwiązań.
Źródło: Nature
