Физики Хайфского Техниона научились с помощью лазерных импульсов задавать направление туннельного тока в микроскопе и зарегистрировали кратчайшие всплески длительностью 860 аттосекунд.
Чтобы увидеть движение электрона в материале, нужно различать отдельные атомы и фиксировать процессы, длящиеся ничтожные доли секунды. Эти процессы настолько малы, что тонут в тепловом шуме. Но исследователи сделали важный шаг к решению этой трудной задачи. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.
Основой эксперимента стал сканирующий туннельный микроскоп с предельно острой иглой. Если подвести ее очень близко к поверхности, электроны преодолевают воздушный зазор благодаря квантовому туннельному эффекту, а возникающий ток позволяет получить карту мельчайших деталей рельефа. Но устойчиво отслеживать движение электронов на таком малом промежутке до сих пор не удавалось.
Физики направили в зазор между иглой и материалом инфракрасные лазерные импульсы, каждый из которых содержал свет двух цветов. Меняя задержку между цветами, ученые меняли форму световой волны и тем самым направляли электроны либо от иглы к образцу, либо от образца к игле. Регулировка задержки помогла отделить сверхкороткий ток от шумов, вызванных нагревом материала.
Сравнение измерений с несколькими теоретическими моделями позволило восстановить всплески тока длительностью 860 аттосекунд (аттосекунда – миллиардная доля миллиардной доли секунды). Модели показали, что световое поле облегчает прохождение туннельного барьера, разгоняет электрон и буквально “вколачивает” его в поверхность материала. Микроскоп сохранил чувствительность к перепадам высоты меньше ангстрема, работая при комнатной температуре и на воздухе.
На отладку прибора ушло несколько лет. “Мы испытали три разные лазерные системы и много раз пересобирали оптическую схему, пока не научились надежно отличать сверхкороткий ток от шума”, – говорит соавтор работы Ади Гольднер.
По словам ученых, результат даст возможность наблюдения за движением электронов в конкретных точках материала, а в перспективе поможет развитию электроники, в которой токами будут управлять световые волны.
