Els electrons en el límit de velocitat

Els components electrònics s'han tornat més i més ràpids en els últims anys. Fan més potents les computadores i altres tecnologies. Els investigadors de l'Escola Federal Politècnica ETH Zurich ara han investigat com electrons ràpids en última instància, es poden controlar amb els camps elèctrics. Els seus punts de vista són d'importància per a l'electrònica futura del petahertz.

La velocitat no pot ser bruixeria, però és la base per a les tecnologies que sovint semblen màgiques. Els ordinadors moderns, per exemple, són tan potents perquè a dins hi ha petits interruptors que dirigeixen els corrents elèctrics en fraccions d'una bilionèsima part d'un segon. D'altra banda, els fluxos de dades increïbles d'internet, només són possibles perquè moduladors extremadament ràpids basats en electro-òptics, poden enviar informació a través de cables de fibra òptica en la forma d'impulsos de llum molt curts.

Els circuits electrònics d'avui dia, treballen ja de forma rutinària en les freqüències de diversos gigahertzs ​​(mil milions de oscil·lacions per segon) fins a terahertzs ​​(mil milions de oscil·lacions). La propera generació d'electrònica, tard o d'hora ha d'arribar el regne del petahertz, que és mil vegades més ràpid encara. Com els electrons es poden controlar tan ràpidament, encara continua sent, en gran part desconegut. En un innovador experiment, un equip dirigit pel professor de l'ETH Ursula Keller ha investigat com els electrons reaccionen a petahertz.

En el seu experiment, Keller i els seus col·laboradors van exposar un petit tros de diamant amb un gruix de només 50 nanòmetres a un pols làser infraroig que dura uns pocs femtosegons (és a dir, una milionèsima d'una bilionèsima part d'un segon). El camp elèctric de la llum làser, que té una freqüència de prop de mig petahertz, va oscil·lar cap enrere i endavant cinc vegades en aquest curt període de temps i per tant els electrons excitats.

En general, l'efecte dels camps elèctrics en els electrons en materials transparents es pot mesurar indirectament per l'enviament de la llum a través del material i tot seguit, l'observació de la força amb el material que absorbeix. Considerant que aquestes mesures són fàcils pels camps elèctrics constants, els camps oscil·lants amb extrema rapidesa d'un raig làser plantegen un repte difícil per als investigadors. En principi, la llum utilitzada per al mesurament de l'absorció només ha d'estar encès per a una fracció del període d'oscil·lació del camp elèctric. Això, al seu torn, vol dir que un impuls de la sonda pot durar només menys d'un femtosegon. D'altra banda, la fase d'oscil·lació del camp elèctric de l'impuls làser ha de ser conegut exactament quan el pols de la sonda s'ha activat.

Bases de la dècada de 1990
L'equip de Keller va realitzar el treball preliminar per a la solució d'aquests problemes ja en la dècada de 1990. "En el moment en que van ser els primers a mostrar com la fase d'oscil·lació d'un pols làser de femtosegon es pot estabilitzar amb precisió", explica Keller que, al seu torn, "és un requisit previ per a la producció de polsos de làser d'attosegons". Aquesta tècnica ja ha estat refinada i avui permet als investigadors detectar polsos de llum en un extrem de l'ultraviolat, amb longituds d'ona de 30 nanòmetres, que només duren una fracció de femtosegon i també se sincronitzen amb la fase d'oscil·lació d'un pols d'infrarojos. En els seus recents experiments, els investigadors de ETH utilitzen un equip que tan aprofita els polsos de làser per excitar els electrons en el diamant amb el camp elèctric de l'impuls d'infrarojos i, al mateix temps, mesurar els canvis d'absorció resultants amb el pols d'attosegons ultraviolada. Van observar que, en efecte, l'absorció característica varia seguint el ritme del camp elèctric del l'impuls infraroig.

Per tal de comprendre més els detalls del que succeïa a l'interior del diamant, és necesssari una mica més de treball de recerca. En primer lloc, un equip d'investigadors dirigit per Katsuhiro Yabana a la Universitat de Tsukuba al Japó en col·laboració amb els físics de l'ETH que van simular la reacció dels electrons en el diamant al pols d'infrarojos usant un superordinador, han de trobar el mateix comportament de l'absorció que es va mesurar a Zuric. Aquestes simulacions inclouen la complexa interacció entre els electrons i la xarxa cristal·lina del diamant, el que resulta en un gran nombre de les anomenades bandes d'energia que els electrons poden ocupar.

El límit de velocitat en el regne petahertz
Al final, va ser crucial per a la interpretació de les dades experimentals. Els investigadors van ser capaços de concloure que l'efecte dinàmic de Franz-Keldysh va ser el responsable de l'absorció en el diamant sota la influència del pols làser infraroig. Considerant que l'efecte Franz-Keldysh per camps elèctrics estàtics ha estat conegut i ben entès per diversos anys, la seva contrapart dinàmica per als camps extremadament rapits i oscil·lants, no s'havia observat fins ara.

Font: PHYSorg