Kỹ thuật mới quan sát chuyển động của điện tử với độ chính xác tới atto giây

Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật mới.

Trong khi kỹ thuật quang phổ atto giây cho các khí nguyên tử tiến hành thì các thí nghiệm tương tự thực hiện đối với chất rắn lại bị giới hạn bởi độ phân giải thời gian femto giây (10 ^-14s). Và mới đây, nhóm nghiên cứu của Ferenc Krausz cùng các đồng nghiệp ở Viện Max Planck về Quang học Lượng tử ở Garching (Đức), và các nhà vật lý đến từ một số trường Đại học khác ở Đức, Áo và Tây Ban Nha đã xây dựng thành công một phương pháp cho phép ghi phổ atto giây của điện tử phát xạ từ bề mặt của chất rắn.

Bằng chứng về sự trễ thời gian dịch chuyển của 2 nhóm điện tử: điện tử phát xạ từ vùng dẫn (đồ thị màu đỏ) và điện tử từ vùng liên kết 4f (đồ thị màu xanh).

Nhóm đã chứng tỏ hiệu quả của kỹ thuật này bằng cách nghiên cứu thời gian dịch chuyển của điện tử bật ra khỏi bề mặt của một mẫu tinh thể tungsten khi hấp thụ photon ánh sáng XUV. Họ đã phát hiện ra điện tử thoát ra khỏi vật liệu theo hai nhóm riêng biệt một khoảng thời gian khoảng 110 atto giây . Bằng cách ghi nhận lại động năng của điện tử trong từng nhóm, Krausz cùng các đồng nghiệp đã kết luận rằng nhóm đầu tiên thoát ra là điện tử từ vùng dẫn, và tiếp theo là các điện tử ở trạng thái bị liên kết (trên nhóm f).

Cũng theo các kết quả nghiên cứu của nhóm, có một sự trễ khoảng 20 atto giây xuất hiện do các điện tử liên kết bị kích thích có thể di chuyển dài hơn qua mẫu tungsten so với các điện tử bị kích thích từ vùng dẫn, và do đó các điện tử liên cũng giống như đến từ một vị trí sâu hơn từ trong mẫu. Khoảng 90 atto giây trễ còn lại tương ứng với sự khác biệt về động năng giữa điện tử liên kết và điện tử dẫn (được tạo ra nhờ hấp thụ một photon XUV). Độ phân giải thời gian atto giây thực tế là một giới hạn dịch chuyển của một điện tử hoạt động trong các linh kiện điện tử. Vì thế, trên nguyên tắc, các mạch điện tử tí hon với kích thước chỉ một vài nguyên tử có thể đóng mở dòng điện với tần số lên tới petahertz (10 ¹⁵Hz), có nghĩa là với một tốc độ nhanh gấp một triệu lần so với các bộ vi xử lý hiện nay. Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại cũng có rất ít các hiểu biết về việc một điện tử chuyển động như thế nào trong những mạch điện tử như thế - và đó là lý do mà nhóm của Krausz tin rằng kỹ thuật của họ có thể hết sức hữu ích cho việc phát triển các linh kiện điện tử trong tương lai.