Ultrarask bevegelse av frie elektroner i faste stoffer spores til innenfor attosekunder

Erfaringsmessig tar det lengre tid å kjøre gjennom sentrum enn å tilbakelegge samme strekning på åpen landevei. Du vil tross alt møte på mange andre trafikanter, rødt lys, veiarbeid og trafikkork i sentrum. Omvendt, hvis du vil finne ut hvor trafikkert en vei er uten å måtte bli med i trafikken, kan du måle tiden det tar biler å kjøre en viss avstand. Det er nettopp slik trafikkhindringer identifiseres av moderne navigasjonssystemer. I mikrokosmos opprettholdes dette konseptet. Når elektroner (minst mulig ladningsbærere) beveger seg gjennom faste stoffer, kan de samhandle med andre elektroner og endre dynamikken deres. På grunn av den lille massen til elektronene skjer imidlertid de relevante prosessene ufattelig raskt, og de følger kvantefysikkens spennende lover i stedet for klassisk mekanikk.

En gruppe fysikere ledet av prof. Dr. Rupert Huber fra Institute of Experimental and Applied Physics ved University of Regensburg, Tyskland, og prof. Dr. Mackillo Kira fra Institutt for elektroteknikk og informatikk ved University of Michigan, USA, har nå for første gang med suksess sporet den ultraraske bevegelsen av frie elektroner i faste stoffer med den forbløffende presisjonen på bare noen få hundre attosekunder. Denne oppløsningen er tilstrekkelig til å undersøke de minste endringene i kvantedynamikken til elektroner forårsaket av tiltrekningen av andre ladebærere eller komplekse mangekroppskorrelasjoner. Forskerteamet rapporterer om sine resultater i den nåværende utgaven av det vitenskapelige tidsskriftet Natur.

Et attosekund tilsvarer milliarddelen av en milliarddels sekund, som forholder seg til et sekund som et sekund gjør til det dobbelte av universets alder. Selv lys ville bare reise en avstand av størrelsesorden et atoms diameter i et attosekunde. For å måle bevegelsen til elektroner på så korte tidsskalaer, utviklet forskerne en ny type attosekund stoppeklokke.

“Pendelen” til denne klokken er gitt av den oscillerende bærebølgen av lys – det raskeste vekselfeltet som kan kontrolleres av mennesker. Lysfeltet setter bokstavelig talt ladningsbærerne på en testbane gjennom faststoffet. Den akselererer først elektroner i halvlederprøver i én retning, og etter å ha snudd feltets retning, kolliderer den dem på nytt med gapet de ble fjernet fra, såkalte hull. I denne prosessen sendes det ut høyenergifotoner. Kollisjonene er ikke alltid like sannsynlige, men avhenger av tidspunktet da et elektron begynner sin bevegelse.

Forskerne klokket denne kollisjonsbanen mer presist enn en hundredel av en lyssvingningsperiode og kunne dermed vise hvordan ulike tiltrekningsstyrker mellom ladningsbærere endrer dynamikken deres. “Akkurat som det er bedre å gå tidligere i tung trafikk for å nå målet ditt i tide, må elektronene starte kollisjonskurs tidligere hvis det er mange og sterke møter mellom elektroner i en krystall», forklarer førsteforfatter Josef Freudenstein fra Institute of Experimental and Applied Physics ved Universitetet i Regensburg entusiastisk.

For å undersøke påvirkningen av forskjellige sterke tiltrekningskrefter mellom ladningsbærere, studerte forskerne et enkelt atomlag av halvledermaterialet wolframdiselenid ved siden av en bulkprøve av det samme materialet. I et så minimalt tykt eksotisk stoff øker tiltrekningen mellom ladningsbærerne mange ganger og elektronenes bevegelse endres. I tillegg var det mulig å undersøke andre kritiske parametere for dynamikken til ladningsbærerne: Hvis det akselererende lysfeltet forsterkes, fullfører elektronene kollisjonsforløpet raskere. Det samme resultatet observeres også når mange elektroner starter sin reise samtidig. Da skjermer de hverandre og ladningsbærerne ser kun svake tiltrekningskrefter.

Ut fra den målte tiden det tar elektronene å fullføre testsporet, kan man dermed utlede ikke bare at interaksjon har funnet sted, men også hvordan. “På attosecond-tidsskalaen kan interaksjonseffekter ikke lenger forklares av lovene i klassisk fysikk; i stedet er de av rent kvantemekanisk natur. Sporer direkte i tidsdomenet hvordan de påvirker bevegelsen til elektroner er enormt nyttig i å teste state-of-the-art mange-kropps kvanteteorier,” forklarer prof. Dr. Mackillo Kira, hvis gruppe har vært i stand til å simulere den mikroskopiske dynamikken med kvantemekaniske beregninger.

“I lang tid pleide faststoff-fysikksamfunnet å tro at den mye langsommere femtosekund-tidsskalaen var tilstrekkelig til å beskrive solid-state-relevant elektrondynamikk; resultatene våre tilbakeviser tydelig denne hypotesen,” sier prof. Dr. Rupert Huber. som leder eksperimentene i Regensburg. “Vår attosecond stoppeklokke kan bidra til å bedre forstå mange-kroppskorrelasjoner i moderne kvantematerialer og sette nye trender for fremtidig kvanteinformasjonsbehandling.”

---

---