Tarptautinė tyrėjų komanda, dirbanti Makso Planko Kvantinės optikos institute (Max Planck Institute of Quantum Optics), sukūrė metodą, kuris leido jiems valdyti ir stebėti įgreitintus elektronus, išlekiančius iš nanosferų.
Kai intensyvi lazerio šviesa sąveikauja su elektronais, esančiais nanodalelėse, sudarytose iš daugelio milijonų individualių atomų, tai tokie elektronai gali būti išlaisvinti iš nanodalelių ir įgauti didelius pagreičius.
Toks efektas buvo stebėtas silicio nanodalelėse Atosekundinės fizikos laboratorijoje (Laboratory for Attosecond Physics) Makso Planko Kvantinės optikos institute. Mokslininkai stebėjo, kaip stiprūs elektriniai laukai susidaro nanodalelės aplinkoje ir išlaisvinami elektronai. Vedami elektrinių laukų ir bendros įelektrintų dalelių, kurios atsiranda dėl jonizacijos lazerio šviesa, tarpusavio sąveikos, išlaisvinti elektronai juda pagreičiais, kurie žymiai didesni nei gaunami vieno atomo atveju. Tikslus elektronų judėjimas gali būti valdomas lazerio šviesos elektrinių laukų. Naujas požiūris į šiuos šviesos kontroliuojamus procesus gali padėti sukurti stiprius kraštinio ultravioleto spinduliavimo šaltinius. Eksperimentas ir teorinis modelis, kurie yra aprašyti „Nature Physics“ žurnale, atveria naujas perspektyvas vystant labai greitą, šviesos kontroliuojamą nanoelektroniką, kuri iš principo gali veikti apie vieną milijonų kartų greičiau nei dabartinė elektronika dirba.
Elektronų įgreitinimas lazeriniame lauke yra panašus į kamuoliuko judėjimą stalo teniso žaidimo metu. Kažkas panašaus vyksta, kai elektronai nanondalelėje yra paveikiami lazerio impulso.
Mokslininkai apšvietė apie šimto nanometrų dydžio silicio nanodaleles intensyviais lazerio šviesos impulsais, kurių trukmė sudarė apie penkias femtosekundes (viena femtosekundė – viena bilijoninė milijoninės sekundės dalis). Tokie trumpi lazerio impulsai sudaro tik kelis bangos periodus. Kiekviena nanodalelė yra sudaryta iš apytiksliai penkiasdešimties milijonų atomų. Atomai yra jonizuojami per nepilną femtosekundę ir tada išlėkę elektronai įgauna pagreitį sąveikaudami su likusia lazerinio impulso dalimi. Elektronai, pralėkę mažiau nei vieną nanometrą nuo nanosferos paviršiaus, gali būti gražinti atgal į nanosferą elektriniu lazerio spindulio lauku, nukreiptu link nanosferos. Elektronų gaunama energija gali pasiekti labai dideles vertes. Eksperimente buvo nustatyta, kad elektronų įgyta energija yra apie šešiasdešimt kartų didesnė nei 700 nm bangos ilgio lazerio fotonas (raudonoji šviesos spektro dalis).
Pirmą kartą mokslininkai galėjo stebėti ir registruoti tiesioginį elastinio susidūrimo reiškinį, kai elektronai grįžta atgal į nanodalelę. Eksperimente mokslininkai naudojo poliarizuotą šviesą. Poliarizuotoje šviesoje šviesos bangos svyruoja išilgai vienos ašies – skirtingai nuo įprastos šviesos, kai bangų svyravimai vyksta visomis sklidimo krypčiai statmenomis kryptimis. „Stiprūs šviesos impulsai gali deformuoti arba sunaikinti nanodalelę. Todėl mes paruošdavome nanodaleles kiekvienam impulsui. Tokiu būdu naujos nanodalelės buvo naudojamos kiekvienam lazerio impulsui. Tai ir buvo pagrindinė sąlyga, leidusi stebėti didelės energijos elektronus“, – paaiškino vienas iš mokslinės grupės dalyvių.
Įgreitinti elektronai išlekia iš atomų įvairiomis kryptimis ir su skirtingomis energijomis. Tyrėjai skridimo trajektoriją registravo trimačiame vaizde, kurį jie naudojo nustatant elektronų energijas ir išlėkimo kryptis. „Elektronai buvo greitinami ne tik lazerio spindulio sukurto artimo elektrinio lauko, kuris yra stipresnis nei lazerinis laukas. Didelį vaidmenį taip pat vaidino ir sąveika su kitais elektronais“, – eksperimento reiškinius aiškino Metjus Klingas (Matthias Kling), dirbantis Atosekundinės fizikos laboratorijoje. Taip pat savo vaidmenį suvaidino ir teigiamai įelektrinti nanosferų paviršiai. Visi šie reiškiniai susisumavo ir sudarė sąlygas gauti dideles elektronų energijas. Procesas yra labai sudėtingas, bet gauti rezultatai parodo, kad yra daug nanodalelių sąveikos su stipriais lazeriniais laukais tyrimo galimybių.
Elektronų judėjimai gali būti panaudoti gaunant kraštinio ultravioleto šviesos impulsus. Tokia galimybė atsiranda elektronui grįžtant į nanodalelę, kurioje jis yra sugeriamas, o energijos skirtumas išspinduliuojamas šviesos fotonu. „Iš mūsų tyrimų seka, kad elektronų rekombinacija su nanodalele gali būti sąlyga fotonams atsirasti. Tokių fotonų energija yra didesnė apie septynis kartus nei buvo stebėta atskirų atomų atveju“, – pabrėžė Tomas Fenelis (Thomas Fennel). Kolektyvinio elektronų pagreitėjimo lazerio šviesai sąveikaujant su nanodalelėmis stebėjimai turi dideles perspektyvas. Klingas mano, kad „tai gali sudaryti sąlygas naujiems taikymams atsirasti ateityje, pavyzdžiui, šviesos valdomai ultragreitai elektronikai, kuri dirbtų iki vieno milijono kartų greičiau nei įprasta elektronika“.
Paveikslėlyje pavaizduotas elektronų, esančių arti silicio nanosferų, greitinimo mechanizmas. Elektronai (žalios spalvos dalelės) yra išlaisvinami iš nanosferos lazeriniu lauku (raudonos bangos). Šie elektronai yra pirmiausia greitinami kryptimi nukreipta nuo nanosferos paviršiaus, o paskui lazerinio lauko grąžinami atgal. Elastinės sklaidos su paviršiumi metu elektronai vėl greitinami tolyn nuo nanodalelės paviršiaus. Tada jie įgauna labai dideles kinetines energijas.
