Max Plancki Kvantoptika Instituudis juhiti esmakordselt elektronide emissiooni metallteravikult femtosekund-laserite abil.
Punase laserimpulsiga kiiritatud wolframteravik tekitab sinise lainena kujutatud kahe elektroni interferentsipildi.
Elektronide emissiooni juhtimine femtosekund-laserite (laserid, mis võimaldavad tekitada ülilühikesi 10-15 sekundilisi impulsse – tõlkija märkus) abil võimaldab aatomisiseseid protsesse vallandada atosekundilisel (10-18s) ajaskaalal. Peter Hommelhoffi juhitud uurimisgrupp on uut meetodit rakendanud tahkistele, näiteks üliteravatele metallteravikele. Teadlased näitasid, et laseri suhteliselt väikese intensiivsuse puhul on võimalik tüürida elektronide emissiooni teravikult üheainsa optilise impulsi või faasitsükli kestvuse jooksul. Jälgitud elektronide energiaspektri muutusi saab seletada faasist sõltumatute ja koherentsete elektronide lainepakettide interferentsiga. Mõõtmised on heas vastavuses numbriliste lähendustega. Uus tehnika pakub laialdast huvi. Kompaktne ja tundlik seade võimaldab kergesti ja täpselt mõõta laserimpulsside faasi ja võib kiirendada ülikiirete optiliste transistoride väljatöötamise protsessi.
Eksperimendis valgustatakse wolframist nõela mõne femtosekundi (10-15s) pikkuse laserimpulsiga. Kui laseri impulsi intensiivsus on piisav, siis elektron neelab kiiratud energia ja lahkub teravikult. Teravikult lahkunud elektroni on võimalik tuvastada teraviku ees paikneva detektori abil.
Pildil on näha tüüpiline femtosekund-laseri impulsi elektrivälja tugevuse sõltuvus ajast. Põhisageduse võnkumise maksimum sõltub mähisjoone ja põhisageduse faaside vahest. Vasakul on faasivahe 180 kraadi, paremal aga 0 kraadi.
Eksperimendis kasutatava metallteraviku otsa kõverusraadius on vaid 10 nanomeetrit, mistõttu pealelangev impulss võimendub märgatavalt (laeng koondub teravikele – tõlkija märkus). Elektronide pinnalt vabastamiseks piisab isegi suhteliselt nõrkadest laserimpulssidest. Lühikesed impulsid sisaldavad vaid üksikuid faasitsükleid, millest tingituna on elektronile mõjuv elektriväli tugevas sõltuvuses põhisageduse ja mähisjoone faasivahest.
Eksperimentides mõõdetakse metallist välja lennanud elektronide kineetilist energiat selleks, et nende lainepakettide (elektronide energiat edasi kandvate formeeringute – tõlkija märkus) faasinihkeid tuvastada. Joonisel nr. 3 nähtav elektronide loendusjaotus on tugevasti faasinihkest mõjutatud. Näha on kaks lisaspektrit, milliste faasivahe on 180 kraadi. Tähelepanuväärne on kõrgete energiatega elektronide arv. ”Mida kõrgem on elektroni energia, seda lähemal oleme olukorrale, kus võime voolu vaid faasinihke abil sisse või välja lülitada,” seletab Michael Krüger.
Elektronide interferentsi energiaspekter. 180 kraadise faasinihke puhul on jälgitavad suured võrdse amplituudiga maksimumid, samas kui 0 kraadise faasinihke puhul interferentsstruktuur puudub. Pilt kirjeldab kõrgete energiatega elektronide kiirgumist kahel eri ajaetapil (märgitud punase ellipsiga), mille tõttu tekib elektronide interferents.
Eksperimentaatorite valitud faasinihkest sõltub maksimumide nähtavus. Maksimumide olemasolu on kvantmehaanikast lähtuv elektronide omadus: 180 faasinihkel võivad elektronid emiteeruda kahel eri ajaintervallil ühe laseriimpulsi kestel. Kahe laine interferentsipilt on metallteraviku lähistel jälgitav. Teisel juhul, kui faasivahe puudub, võib emiteeruda vaid üks elektron ühe impulsi vältel, mistõttu interferentsi ei esine ja maksimumid kaovad.
Jälgitud interferentspildist saavad teadlased järeldada, et laseri impulsi elektromagnetlainetus mõjutab elektronide liikumist isegi pärast nende teravikult lahkumist. Praktiliselt pidevalt registreeritav lugem keskmistel energiatel lubab oletada, et vabanenud elektronid aetakse laserimpulsi poolt tagasi teravikule, et siis sellelt taas elastselt enne detekteerimist hajuda. „Katse näitab, et hajumisprotsess ei sega interferentsipildi tekkimist. Tähendab, et need sündmused toimuvad koherentselt,“ ütleb Markus Schenk. Tulemuseks saadud spekter on üllatavalt hästi numbriliselt lähendatav mudeliga, mis kirjeldab elektronide käitumist laserkiire elektriväljas.
Uus meetod toimib tööriistana elektronide dünaamika kirjeldamiseks tahkistes. Näiteks ei ole olnud seni teada, kas hajumisprotsess leiab aset terve teraviku pinnal, ühe aatomi sisemuses või hoopis selle väliskihtides. Madalate laseri impulsside energianivoode tõttu võib meetod leida rakendust laboritehnika tootmises. Ühildades metallteraviku pidurdava võre ja elektronkordistiga saab valmistada seadmeid laserimpulsside faaside mõõtmiseks ja stabiliseerimiseks. Samuti saab kasu optilise väljatransistori areng.
Allikas: PhysOrg