量子世界的超快显微镜

时间:2020-02-01 17:18 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

量子世界的超快显微镜

可以这么说,未来电脑部件的操作现在可以用高清质量来拍摄。马尼什·加格和克劳斯·克恩是斯图加特马普固态研究所的研究人员,他们开发了一种显微镜,用于观察量子尺度上发生的极快过程。这种显微镜——一种量子世界的高清摄像机——可以精确地跟踪电子运动到单个原子。因此,当涉及到开发非常快和非常小的电子元件时,它应该提供有用的见解。

量子世界中所发生的过程,即使对最有经验的物理学家来说,也是一个挑战。例如,在功能越来越强大的电脑或智能手机组件中发生的事情不仅发生得极其迅速,而且发生在越来越小的空间中。例如,在分析这些过程和优化晶体管时,电子的视频将对物理学家大有裨益。为了实现这一目标,研究人员需要一台高速摄像机,能将这段“电子视频”的每一帧曝光几百阿秒。阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一;在此期间,光只能通过水分子的长度。多年来,物理学家一直使用足够短的激光脉冲作为阿秒照相机。

然而,在过去,一幅阿秒级的图像只能在本质上是模糊的背景下提供电子的快照。现在,由于马克斯·普朗克固体研究所所长克劳斯·克恩和克恩所在系的科学家马尼什·加格的工作,研究人员现在也可以精确地确定拍摄到的电子在单个原子中的位置。

超短激光脉冲结合扫描隧道显微镜

为此,两位物理学家使用超短激光脉冲和扫描隧道显微镜。后者通过用一个尖端扫描一个表面来达到原子级的分辨率,而尖端本身就是由单个原子组成的。电子在尖端和表面之间穿过隧道,也就是说,即使它们没有足够的能量这样做,它们也会穿过中间的空间。由于这种隧穿过程的有效性很大程度上取决于电子必须通过的距离,因此它可以用来测量尖端与样品之间的空间,因此甚至可以用来描绘表面上的单个原子和分子。然而,直到现在,扫描隧道显微镜还没有达到足够的时间分辨率来跟踪电子。

Manish Garg说:“通过将扫描隧道显微镜与超快脉冲相结合,很容易利用两种方法的优点来弥补各自的缺点。”研究人员将这些极短的光脉冲发射到显微镜尖端(尖端的位置具有原子精确度),以触发隧穿过程。因此,这种用于量子世界的高速相机现在也可以实现高清分辨率。

为光波电子技术铺平了道路,光波电子技术的速度要快几百万倍

有了这项新技术,物理学家现在可以精确地测量电子在特定时刻的位置,精确到单个原子,精确到几百阿秒。例如,这可以用在分子中,在高能脉冲光的作用下,一个电子从分子中弹射出来,导致剩余的负电荷载流子重新排列,可能导致分子与另一个分子发生化学反应。马克斯·普朗克固体研究所所长克劳斯·克恩说:“在分子中实时拍摄电子,并在其自然的时空尺度上,对于理解化学反应,例如,带电粒子(如电子或离子)中光能的转换,是至关重要的。”

此外,这项技术不仅能让研究人员追踪电子在未来的处理器和芯片中的路径,还能导致电荷载体的急剧加速:“在今天的计算机中,电子以十亿赫兹的频率振荡,”克劳斯·克恩说。“使用超短光脉冲,有可能将它们的频率提高到一万亿赫兹。”有了这个光波涡轮增压器,研究人员可以为光波电子学扫清道路,因为它比现在的计算机快几百万倍。因此,超快显微镜不仅在量子世界中进行电影加工,而且还通过干涉这些加工来充当导演的角色。

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