Свобода – в тонких пленках

Измерение переноса электронов (электрон-трансфера) с аттосекундной точностью.

Космические наблюдения свидетельствуют, что в глубинах Вселенной будто бы генерируются частицы, имеющие скорость больше световой. Возможно, это и так, однако пока скорость света признается наибольшей, хотя и конечной. Фотон за одну аттосекунду (10–18 с) проходит расстояние, сравнимое с межатомным, поэтому лазерные импульсы подобной продолжительности – эффективная «метрология» для слежения за прохождением в металле электронов, выбитых светом. В классическом варианте это называется фотоэффектом. Именно этот эффект лежит в основе работы фотоэлемента. Но толщина фольги последнего измеряется микронами, что не дает возможности увидеть электронные треки.

В пригороде Мюнхена, городке Гархинг, где расположен Технический университет, сделали «бутерброд» чуть ли не из монослоев магния на вольфрамовой подложке сходной толщины в несколько ангстрем. Такой масштаб делает вполне реальным включение квантовых эффектов. Баварцам помогали коллеги из Берлина и Гамбурга, а также Венского технологического университета. Опыты, описанные в журнале Nature, показали, что «выбитые» из вольфрама сверхжесткими квантами ультрафиолетового лазера электроны имеют баллистическую траекторию, делая ее похожей на полет брошенного камня.

Аттосекундный лазер позволил ученым детально исследовать механизм фотоэффекта (описанный более 100 лет назад Альбертом Эйнштейном, за что тот, кстати, получил Нобелевскую премию). Удалось установить, например, характер поведения электронов, вернее, их волновых пакетов, и длительность их движения в металле. Интересно, что распространение электронных пакетов в кристаллической решетке металла с ее атомными масштабами не подвергается рассеянию, что наблюдается в макромире. «Прибытие» свободных электронов вольфрама на поверхность магниевого слоя, электрон-трансфер, фиксировалось также с аттосекундной точностью.

Новый подход не только многое обещает для развития пленочной электроники, но также делает реальным построение фотонных цепей атомных размеров. Квантовых теоретиков заинтересует факт точного определения проникновения электрических полей оптической частоты в твердотельных интерфейсах, образованных металлическими слоями необычайно малой толщины.

Импульс продолжительностью не более 450 аттосек (синий), выбивает электроны вольфрама, время появления которых на поверхности магниевой пленки определяется с помощью инфракрасного лазера. Иллюстрация Physorg

Еще одна тенденция – все более широкий симбиоз нано- и биотехнологий, проявившийся в создании плазмонных фотонных кристаллов, рост которых управляется ДНК разных последовательностей. Успех сотрудников Северо-Западного университета в  Эванстоне, штат Иллинойс (США), описан в журнале «Труды АН США» (PNAS). Новый подход основан на том, что использование ДНК позволяет очень точно контролировать самосборку наночастиц в структуры сложного строения, произвольно регулируя их состав и симметрию кристаллов, параметры кристаллической решетки. С его помощью возможно создание новых фотонных структур с металлическими наночастицами, с их способностью генерировать плазмонные волны.

Авторы исследования пишут также, что они могут теперь с помощью изменения решеток и диаметров частиц регулировать взаимодействие света с плазмонами золота. Это позволяет создавать новые сверхминиатюрные лазеры и биосенсоры, использующие для детектирования эффекты квантовой электродинамики, работающей при столь малых масштабах устройств. Исследователи надеются, что фотонные свойства подобных ДНК-кристаллов могут быть усилены покрытием их слоем серебра.

Вторая статья той же группы ученых опубликована в журнале Nature, и в ней говорится, что решетки из молекул ДНК позволяют размещать в них биомолекулы, имеющие различные заряды. Применение ДНК показало, что рост кристаллов при этом отличается от классического. Проблема, однако, в том, что использование капризной биомолекулы потребовало сверхмедленного остывания в течение нескольких дней, что пока неприменимо в условиях реальной микроэлектроники. Преимуществом является возможность самосборки кристаллов с нужными свойствами, наночастицы же собираются подобно известным путям атомной кристаллизации.