ساعة توقيت لسباق الإلكترون

في الوقت الحقيقي قياس حركة الإلكترون بين الذرات ممكن لأول مرة

الإعداد التجريبي ونظام قياس الإلكترونات أسرع وأبطأ. © MPQ
قراءة بصوت عال

إنها جزء من تريليون جزء من الثانية: صغيرة جدًا هي الاختلافات في وقت هروب الإلكترونات عندما تعبر بضع طبقات ذرية في بلورة. هذه الثواني القليلة من الفوارق الزمنية تم قياسها الآن للمرة الأولى في الوقت الفعلي بواسطة فريق بحث دولي. هذا مهم لأن سرعة حركة الإلكترون تحدد ، على سبيل المثال ، مدى سرعة جهاز إلكتروني مصغر. يتم الاعتراف بأهمية تقنية القياس الجديدة من خلال منشور على صفحة العنوان لقضية "الطبيعة" الحالية.

في الدوائر الإلكترونية الحديثة ، تُطارد الإلكترونات بجهد ميكروويف خلال الهياكل النانوية ، ويتم تشغيل التيار الكهربائي وإيقافه داخل النانو ثانية. على سبيل المثال ، يحدد وقت التبديل الممنوح بواسطة الرقاقة الدقيقة عدد العمليات الحسابية التي يمكن للكمبيوتر إجراؤها في الثانية. في نهاية المطاف ، تكون سرعة التبديل محدودة بالوقت الذي تستغرقه الإلكترونات للتنقل عبر الهياكل التي تعمل على تشغيل وإيقاف قوتها.

كلما كان الهيكل أصغر ، زادت سرعة التبديل القابلة للتحقيق وكثافة تدفق المعلومات. في دوائر ذات أبعاد ذرية ، يمكن تغيير اتجاه التيار الكهربائي ، من حيث المبدأ ، بأكثر من تريليون مرة في الثانية ، بمئة ألف مرة أكثر مما تسمح به الإلكترونيات اليوم.

مراقبة الإلكترون في الوقت الحقيقي

الخطوة الأولى على الطريق الطويل للوصول إلى إلكترونيات Petahertz النهائية هي تطوير التقنيات التي تسمح بمراقبة الوقت الفعلي لنقل الشحنة الكهربائية في المنشآت الذرية. هذه الخطوة الأولى قد أثبتها بنجاح فريق بحث دولي بمعهد ماكس بلانك للبصريات الكمية في جارشينج بالقرب من ميونيخ (MPQ). تمكن الباحثون من تتبع حركة الإلكترونات عبر طبقات ذرية قليلة إلى سطح بلورة الحالة الصلبة في الوقت الفعلي.

قام باحثو MPQ ، جنبًا إلى جنب مع موظفي جامعتي بيليفيلد وهامبورغ ، وكذلك TU Vienna ، بإرسال نبض ضوئي فائق الأشعة فوق البنفسجية مدته 300 أتوس ثانية ونبضة ليزر بالأشعة تحت الحمراء من عدد قليل من التذبذبات الجيدة في المجال الكهربائي ، على سطح بلورة تنجستين. عرض

سباق نوعين من الإلكترون

نبض الأتوسيكوند يخترق البلورة. هنا ، يتم امتصاص بعض الجسيمات الضوئية المنقولة في النبض ، أي الفوتونات ، وتطلق كلا الإلكترونين المرتبطين بشكل فضفاض ، والمسؤولين عن توصيل التيار الكهربائي ، والإلكترونات المرتبطة بقوة في قلب ذرات البلورة. يتم تحفيز كلا النوعين من الإلكترونات في وقت واحد ، ثم يتعجل على السطح بسرعات مختلفة من عمق بضع طبقات ذرية. تتحرك إلكترونات التوصيل أسرع من الإلكترونات الأساسية.

بمجرد وصول الإلكترونات إلى السطح ، يتم تعديل سرعتها الأصلية بواسطة المجال الكهربائي لنبضة الليزر ، ويمكن اكتشاف هذا التغيير من خلال كاشف وقت الرحلة. نظرًا لأن شدة المجال الخاصة بنبض الليزر تتغير بسرعة كبيرة مع مرور الوقت ، فإن مقدار التغير في السرعة يعتمد بحساسية على الوقت الذي تصل فيه الإلكترونات إلى السطح.

توصيل الإلكترونات مرتين بأسرع

يعد حقل الليزر المتذبذب فائق السرعة بمثابة نوع من ساعة توقيت أتوسكوند ، مما يسمح لفريق أبحاث MPQ بتحديد أن إلكترونات التوصيل تصل إلى "خط النهاية" بحوالي 110 أتوسو ثانية قبل الإلكترونات الأساسية - عن طريق تعديل سرعة الإلكترون. وهي سطح الكريستال). ويترتب على ذلك أن إلكترونات التوصيل المحررة تتحرك داخل البلورة ضعف سرعة الإلكترونات الممزقة من الأبخرة الذرية.

توضح تجربة MPQ الجدوى الفنية لمراقبة نقل الشحنة الكهربائية عبر طبقات ذرية من مادة صلبة في الوقت الفعلي.

يمهد استخدام القياس الأتوسيكوند لتوفير المراقبة في الوقت الفعلي لنقل الإلكترون من خلال الهياكل الذرية الطريق لتطوير دوائر فائقة السرعة في المستقبل ، حيث يمكن تغيير اتجاه التيار الكهربائي آلاف إلى مئات الآلاف من المرات أسرع من أسرع الرقائق الحالية.

(معهد ماكس بلانك للبصريات الكمية ، 25.10.2007 - NPO)