El funcionamiento de los componentes de las futuras computadoras ahora se puede filmar en calidad HD, por así decirlo. Manish Garg y Klaus Kern, investigadores del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, han desarrollado un microscopio para los procesos extremadamente rápidos que tienen lugar a escala cuántica. Este microscopio, una especie de cámara HD para el mundo cuántico, permite el seguimiento preciso de los movimientos de los electrones hasta el átomo individual. Por lo tanto, debería proporcionar información útil cuando se trata de desarrollar componentes electrónicos extremadamente rápidos y extremadamente pequeños, por ejemplo.

Los procesos que tienen lugar en el mundo cuántico representan un desafío incluso para los físicos más experimentados. Por ejemplo, las cosas que suceden dentro de los componentes cada vez más poderosos de las computadoras o los teléfonos inteligentes no solo suceden extremadamente rápido sino también en un espacio cada vez más pequeño. Cuando se trata de analizar estos procesos y optimizar transistores, por ejemplo, Los videos de los electrones serían de gran beneficio para los físicos. Lograr esto, los investigadores necesitan una cámara de alta velocidad que exponga cada fotograma de este "vídeo electrónico" durante unos pocos cientos de attosegundos. Un attosegundo es una mil millonésima de mil millonésima de segundo; en ese momento, la luz solo puede viajar a lo largo de una molécula de agua. Por un numero de años, Los físicos han utilizado pulsos de láser de una longitud suficientemente corta como una cámara de attosegundos.

En el pasado, sin embargo, una imagen de attosegundos arrojó solo una instantánea de un electrón contra lo que era esencialmente un fondo borroso. Ahora, gracias al trabajo de Klaus Kern, Director del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, y Manish Garg, un científico en el departamento de Kern, Los investigadores ahora también pueden identificar con precisión dónde se encuentra el electrón filmado hasta el átomo individual.

Pulsos láser ultracortos combinados con un microscopio de efecto túnel

Para hacer esto, Los dos físicos utilizan pulsos de láser ultracortos junto con un microscopio de efecto túnel. Este último logra una resolución a escala atómica al escanear una superficie con una punta que, idealmente, está formada por un solo átomo. Túnel de electrones entre la punta y la superficie, es decir, cruzan el espacio intermedio a pesar de que en realidad no tienen suficiente energía para hacerlo. Como la eficacia de este proceso de tunelización depende en gran medida de la distancia que tienen que viajar los electrones, se puede utilizar para medir el espacio entre la punta y una muestra y, por lo tanto, para representar incluso átomos y moléculas individuales en una superficie. Hasta ahora, sin embargo, Los microscopios de túnel de barrido no lograron una resolución temporal suficiente para rastrear electrones.

"Al combinar un microscopio de efecto túnel con pulsos ultrarrápidos, fue fácil utilizar las ventajas de los dos métodos para compensar sus respectivas desventajas, ", dice Manish Garg. Los investigadores disparan estos pulsos de luz extremadamente cortos en la punta del microscopio, que se coloca con precisión atómica, para activar el proceso de tunelización. Como resultado, esta cámara de alta velocidad para el mundo cuántico ahora también puede lograr una resolución HD.

Allanando el camino para la electrónica de ondas de luz, que es millones de veces más rápido

Con la nueva técnica, Los físicos ahora pueden medir exactamente dónde están los electrones en un momento específico hasta el átomo individual y con una precisión de unos pocos cientos de attosegundos. Por ejemplo, esto se puede usar en moléculas que han tenido un electrón catapultado fuera de ellas por un pulso de luz de alta energía, lo que hace que los portadores de carga negativa restantes se reorganicen y posiblemente provoque que la molécula entre en una reacción química con otra molécula. "Filmar electrones en moléculas en vivo, y en su escala espacial y temporal natural, es vital para comprender la reactividad química, por ejemplo, y la conversión de energía luminosa dentro de partículas cargadas, como electrones o iones, "dice Klaus Kern, Director del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido.

Es más, la técnica no solo permite a los investigadores rastrear el camino de los electrones a través de los procesadores y chips del futuro, pero también puede conducir a una aceleración dramática de los portadores de carga:"En las computadoras actuales, los electrones oscilan a una frecuencia de mil millones de hercios, "dice Klaus Kern." Usando pulsos de luz ultracortos, es posible aumentar su frecuencia a un billón de hercios ". Con este amplificador turbo para ondas de luz, los investigadores podrían despejar el camino para la electrónica de ondas de luz, que es millones de veces más rápido que las computadoras actuales. Por lo tanto, El microscopio ultrarrápido no solo filma los procesos en el mundo cuántico, pero también actúa como Director al interferir con estos procesos.