Al superponer dos campos láser de diferentes intensidades y frecuencias, la emisión de electrones de los metales se puede medir y controlar con precisión en unos pocos attosegundos. Físicos de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), la Universidad de Rostock y la Universidad de Konstanz han demostrado que este es el caso. Los hallazgos podrían conducir a nuevos conocimientos de mecánica cuántica y habilitar circuitos electrónicos que son un millón de veces más rápidos que los actuales. Los investigadores ahora han publicado sus hallazgos en la revista Nature.

La luz es capaz de liberar electrones de las superficies metálicas. Esta observación ya fue realizada en la primera mitad del siglo XIX por Alexandre Edmond Becquerel y luego confirmada en varios experimentos, entre otros por Heinrich Hertz y Wilhelm Hallwachs. Dado que el efecto fotoeléctrico no podía reconciliarse con la teoría de las ondas de luz, Albert Einstein llegó a la conclusión de que la luz debe consistir no solo en ondas, sino también en partículas. Sentó las bases de la mecánica cuántica.

La potente luz láser permite que los electrones hagan un túnel

Con el desarrollo de la tecnología láser, la investigación sobre el efecto fotoeléctrico ha cobrado un nuevo impulso. « Hoy en día, podemos producir pulsos de láser extremadamente fuertes y ultracortos en una amplia variedad de colores espectrales », explica el Prof. Dr. Peter Hommelhoff, Presidente de Física Láser en el Departamento de Física de la FAU. « Esto nos inspiró a capturar y controlar la duración y la intensidad de la liberación de electrones de los metales con mayor precisión ». Hasta ahora, los científicos solo han podido determinar la dinámica de electrones inducida por láser con precisión en gases, con una precisión de unos pocos attosegundos. La dinámica cuántica y las ventanas de tiempo de emisión aún no se han medido en sólidos.

Esto es exactamente lo que los investigadores de la FAU, la Universidad de Rostock y la Universidad de Konstanz han logrado hacer por primera vez. Usaron una estrategia especial para esto : en lugar de solo un pulso láser fuerte, que emite los electrones en una punta puntiaguda de tungsteno, también usaron un segundo láser más débil con el doble de frecuencia. « En principio, debe saber que con una luz láser muy fuerte, los fotones individuales ya no son responsables de la liberación de electrones, sino el campo eléctrico del láser », explica el Dr. Philip Dienstbier, investigador asociado de Peter. Presidente de Hommelhoff y autor principal del estudio. « Los electrones luego hacen un túnel a través de la interfaz de metal hacia el vacío ». Al superponer deliberadamente las dos ondas de luz, los físicos pueden controlar la forma y la fuerza del campo láser y, por lo tanto, también la emisión de electrones.

Circuitos un millón de veces más rápido

En el experimento, los investigadores pudieron determinar la duración del flujo de electrones en 30 attosegundos, treinta mil millonésimas de una mil millonésima de segundo. Esta limitación ultraprecisa de la ventana de tiempo de emisión podría hacer avanzar la investigación básica y relacionada con la aplicación en igual medida. « El cambio de fase de los dos pulsos láser nos permite obtener una visión más profunda del proceso del túnel y el movimiento posterior del electrón en el campo láser », dice Philip Dienstbier. « Esto permite nuevos conocimientos de mecánica cuántica tanto en la emisión del cuerpo de estado sólido como en los campos de luz utilizados ».

El campo de aplicación más importante es la electrónica impulsada por campos de luz : con el método de dos colores propuesto, la luz láser se puede modular de tal manera que se podría generar una secuencia exactamente definida de pulsos de electrones y, por lo tanto, de señales eléctricas. Dienstbier : « En un futuro previsible, será posible integrar los componentes de nuestra configuración de prueba (fuentes de luz, punta de metal, detector de electrones) en un microchip ». Entonces son concebibles circuitos complejos con anchos de banda de hasta el rango de petahercios, que serían casi un millón de veces más rápidos que la electrónica actual.