科学家使用激光场精确测量和控制金属的电子发射

通过叠加两个不同强度和频率的激光场，可以精确测量和控制金属的电子发射几阿秒。来自埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学(FAU)、罗斯托克大学和康斯坦茨大学的物理学家已经证明情况确实如此。这些发现可能会带来新的量子力学见解，并使电子电路比今天快一百万倍。研究人员现在已经在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。

光能够从金属表面释放电子。亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔(Alexandre Edmond Becquerel)在19世纪上半叶就已经提出了这一观察结果，后来在各种实验中得到了证实，其中包括海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)和威廉·哈尔瓦克斯(Wilhelm Hallwachs)。由于光电效应无法与光波理论相协调，阿尔伯特·爱因斯坦得出的结论是，光不仅必须由波组成，还必须由粒子组成。他奠定了量子力学的基础。

强激光允许电子隧穿

随着激光技术的发展，对光电效应的研究获得了新的动力。“今天，我们可以在各种光谱颜色中产生极强和超短的激光脉冲，”FAU物理系激光物理Peter Hommelhoff教授解释说。“这启发我们以更高的精度捕获和控制金属电子释放的持续时间和强度。

到目前为止，科学家们只能精确地确定气体中的激光诱导电子动力学 - 精度为几阿秒。量子动力学和发射时间窗口尚未在固体上测量。

这正是FAU，罗斯托克大学和康斯坦茨大学的研究人员现在首次成功做到的事情。他们为此使用了一种特殊的策略：除了强激光脉冲，向电子发射尖锐的钨尖端，他们还使用了频率两倍的第二种较弱的激光。

“原则上，你必须知道，对于非常强的激光，单个光子不再负责电子的释放，而是激光的电场，”Peter Hommelhoff的研究助理Philip Dienstbier博士解释说。“然后电子通过金属界面进入真空。通过故意叠加两个光波，物理学家可以控制激光场的形状和强度，从而控制电子的发射。

电路速度快一百万倍

在实验中，研究人员能够确定电子流的持续时间为30阿秒 - 三十亿分之一秒。这种对发射时间窗口的超精确限制可以同等程度地推进基础研究和与应用相关的研究。

“两个激光脉冲的相移使我们能够更深入地了解隧道过程以及电子在激光场中的后续运动，”Philip Dienstbier说。“这使得对固态体的发射和使用的光场都有新的量子力学见解。

最重要的应用领域是光场驱动的电子学：通过提出的双色方法，激光可以以这样一种方式进行调制，从而可以产生精确定义的电子脉冲序列，从而产生电信号。

Dienstbier说：“在可预见的未来，将有可能将我们测试装置的组件(光源，金属尖端，电子探测器)集成到微芯片中。然后可以想象带宽高达佩赫兹范围的复杂电路 - 这将比当前的电子设备快近一百万倍。