La velocidad puede no ser brujería, pero es la base de tecnologías que a menudo parecen mágicas. Las computadoras modernas, por ejemplo, son tan poderosas como lo son porque los pequeños interruptores dentro de ellas dirigen las corrientes eléctricas en fracciones de una billonésima de segundo.Los increíbles flujos de datos de Internet, por otro lado, solo son posibles porque los moduladores electroópticos extremadamente rápidos pueden enviar información a través de cables de fibra óptica en forma de pulsos de luz muy cortos. Los circuitos electrónicos de hoy ya funcionan de manera rutinaria en frecuencias de variosgigahercios mil millones de oscilaciones por segundo hasta terahercios mil millones de oscilaciones. Por lo tanto, la próxima generación de electrónica tendrá que llegar tarde o temprano al reino de petahercios, que es mil veces más rápido aún.Sin embargo, en un experimento innovador, un equipo dirigido por la profesora de ETH, Ursula Keller, ha investigado cómo reaccionan los electrones al petahe.campos rtz.
En su experimento, Keller y sus colaboradores expusieron una pequeña pieza de diamante con un grosor de solo 50 nanómetros a un pulso láser infrarrojo que dura unos pocos femtosegundos es decir, una millonésima de una billonésima de segundo.La luz láser, que tiene una frecuencia de aproximadamente medio petahercio, oscilaba cinco veces hacia adelante y hacia atrás en ese corto tiempo y, por lo tanto, excitaba los electrones. En general, el efecto de los campos eléctricos sobre los electrones en materiales transparentes se puede medir indirectamente enviando luz a través del materialy luego observando cuán fuertemente lo absorbe el material. Mientras que tales mediciones son fáciles para campos eléctricos constantes, los campos de un rayo láser que oscilan extremadamente rápido representan un desafío difícil para los investigadores. En principio, la luz utilizada para medir la absorción solo debe serencendido por una fracción del período de oscilación del campo eléctrico. Eso, a su vez, significa que un pulso de la sonda solo puede durar menos de un femtosegundo. Moreover, la fase de oscilación del campo eléctrico del pulso láser debe conocerse exactamente cuando se enciende el pulso de la sonda.
Trabajo preliminar de la década de 1990
El equipo de Keller realizó el trabajo preliminar para la solución de estos problemas ya a fines de la década de 1990. "En ese momento fuimos los primeros en mostrar cómo la fase oscilatoria de un pulso láser de femtosegundo puede estabilizarse con precisión", explica Keller, "que,a su vez, es un requisito previo para producir pulsos láser de attosegundos ". Esa técnica se ha perfeccionado desde entonces y hoy permite a los investigadores realizar pulsos de luz en el ultravioleta extremo, con longitudes de onda de alrededor de 30 nanómetros, que solo duran una fracción de femtosegundo y tambiénsincronizado con la fase oscilatoria de un pulso infrarrojo. En sus experimentos recientes, los investigadores de ETH utilizaron un equipo de pulsos láser tan excitado para excitar los electrones en el diamante con el campo eléctrico del pulso infrarrojo y, al mismo tiempo, para medirla absorción resultante cambia con el pulso de attosegundo ultravioleta. Observaron, de hecho, que la absorción variaba característicamente siguiendo el ritmo del electro oscilantecampo ic del pulso infrarrojo.
Sin embargo, para comprender los detalles de lo que sucedió dentro del diamante, fue necesario un poco más de trabajo de detective. Primero, un equipo de investigadores dirigido por Katsuhiro Yabana en la Universidad de Tsukuba en Japón, en colaboración con los físicos de ETH, simuló la reacciónde los electrones en el diamante al pulso infrarrojo usando una supercomputadora, encontrando el mismo comportamiento de la absorción que se midió en Zurich. Estas simulaciones incluyeron la compleja interacción entre los electrones y la red cristalina del diamante, lo que resulta en un gran número dellamadas bandas de energía que los electrones pueden ocupar. "Sin embargo, la ventaja de las simulaciones en comparación con el experimento es que varios de los efectos que ocurren en el diamante real pueden activarse o desactivarse", dice Matteo Lucchini, un postdoc en Keller.grupo, "para que eventualmente pudiéramos atribuir el comportamiento característico de absorción del diamante a solo dos de esas bandas de energía".
Límite de velocidad en el reino petahercios
Fue al darse cuenta de que, al final, fue crucial para la interpretación de los datos experimentales. Los investigadores pudieron concluir que el efecto dinámico de Franz-Keldysh fue responsable de la absorción en el diamante bajo la influencia del pulso láser infrarrojoMientras que el efecto Franz-Keldysh para los campos eléctricos estáticos se conoce y comprende desde hace varios años, su contrapartida dinámica para los campos de oscilación extremadamente rápida no se había observado hasta ahora ". El hecho de que todavía pudimos ver ese efecto incluso en la excitación petahertzlas frecuencias confirmaron que los electrones podrían, de hecho, ser influenciados en el límite de velocidad del campo láser ", explica Lukas Gallmann, un científico senior en el laboratorio de Keller. La interacción dinámica también es de interés fundamental, ya que aparece en un régimen que no está dominadopor la mecánica cuántica ni por las interacciones clásicas de la materia ligera. Esto significa que dos tipos de efectos físicos juegan un papel simultáneamente: aquellos enLa luz ch actúa como cuantos de energía fotones, y aquellos en los que está representada por un campo electromagnético clásico.El trabajo ahora publicado ha demostrado que la reacción del material al campo óptico está dominada por el movimiento de los electrones en una sola banda de energía en lugar de por transiciones entre diferentes bandas.En experimentos similares, hasta ahora no estaba claro qué estaba sucediendo exactamente, pero el experimento en ETH ahora ha resuelto esa cuestión.
Puede que todavía haya un largo camino desde este punto hasta la realización de la electrónica petahertz, y otros efectos físicos aún pueden limitar el rendimiento del dispositivo. Gallmann señala, sin embargo, que los nuevos resultados son relevantes en varios aspectos, mostrando, como lo hacen,, que a frecuencias tan altas los electrones todavía pueden ser dirigidos y conmutados con campos eléctricos. "El diamante es un material importante que se utiliza en una variedad de tecnologías que van desde la opto-mecánica hasta los biosensores", agrega Lucchini. "Una comprensión detallada de la interaccióncon campos de luz, que hemos demostrado ahora, es por lo tanto fundamental "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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