Электроны, пораженные мощными лазерными импульсами, меняют свое местоположение в ультракоротких временных масштабах, то есть в течение пары аттосекунд (1 as = 10-18 секунд). В сотрудничестве с Центром нанооптики Университета штата Джорджия в Атланте (США) ученые из Лаборатории аттосекундной физики (LAP) Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) и Университета Людвига-Максимилиана (LMU) сделали моделирование процессов, которые происходят, когда электроны в слое атомов углерода взаимодействуют с сильным лазерным светом.
Цель этого моделирования — получить представление о взаимодействиях света и вещества в микромире. Лучшее понимание основных физических процессов может привести к созданию электроники, управляемой световыми волнами, которая будет работать на световых частотах, что в сто тысяч раз быстрее, чем современные технологии. Считается, что графен с его исключительными свойствами очень хорошо подходит в качестве примера системы для экспериментов с прототипами.Чем ближе мы наблюдаем движение электронов, тем лучше понимаем их взаимодействие со светом.
Многие явления, возникающие в конденсированных средах из-за взаимодействия света и вещества в сильном поле, еще полностью не изучены. Поскольку лежащие в основе процессы происходят в пределах фемто- или даже аттосекунд, трудно получить доступ к этому внутриатомному космосу: фемтосекунда составляет миллионную миллиардную долю секунды; аттосекунда даже в тысячу раз короче. Экспериментальные методы, которые позволят решить эту задачу, находятся в стадии разработки.
Однако эти процессы можно исследовать с помощью численного моделирования.Команда ученых из LAP и Университета штата Джорджия рассчитала, что происходит с электронами в графене, взаимодействующими с интенсивным лазерным импульсом.
Лазерное поле возбуждает и вытесняет электроны, изменяя, таким образом, распределение плотности заряда. Во время этого процесса от зонда рассеивается чрезвычайно короткий электронный импульс.
Карта дифракции этих материальных волн отражает, как распределение электронной плотности внутри графенового слоя изменилось из-за лазерного импульса.Это моделирование выявило сложные отношения между возбуждением валентных электронов светом и их последующим сверхбыстрым движением внутри и между атомами углерода в слое графена.
Валентные электроны слабо связаны и распределяются между соседними атомами. Ученые исследовали их движение, определяя микроскопические объемы, которые представляют собой различные химические связи, и анализируя электрический заряд, содержащийся в этих объемах. Во время лазерного импульса происходит значительное перераспределение заряда; в то же время смещение электронов, вызванное электромагнитным полем лазерного импульса, очень мало, менее пикометра (10-12 м).
Кроме того, расчеты показали, что индуцированный светом электрический ток имеет неоднородное микроскопическое распределение, протекая по химическим связям между атомами углерода.Это моделирование должно способствовать новым сверхбыстрым измерениям дифракции электронов. «Возможно, мы обнаружим новые явления и, возможно, увидим отклонения от наших прогнозов», — отмечает руководитель проекта Владислав Яковлев. «Но мы почти уверены, что некоторые фундаментальные принципы физики ждут, чтобы их можно было наблюдать в сложных, но выполнимых измерениях в атомном масштабе».