Er zijn nog veel raadsels in de wereld van de quantumtechniek. Om te begrijpen wat zich afspeelt op dat niveau van de allerkleinste deeltjes, zou het fijn zijn als je kon hoe processen verlopen. Dat hebben de wetenschappers Manish Garg en Klaus Kern nu mogelijk gemaakt. Ze ontwikkelden een microscoop waarmee je de extreem snelle processen in de quantumwereld kunt filmen. En dat in HD-kwaliteit.
Deze camera voor de quantumwereld maakt het mogelijk om de bewegingen van elektronen tot op een atoom te volgen. De wetenschappers verwachten zo nieuwe inzichten op te doen die kunnen leiden tot de ontwikkeling van extreem snelle en extreem kleine elektronische componenten. Het verzenden van informatie via glasvezel zou tot een miljoen keer sneller kunnen,
De processen in de quantumwereld zijn zelfs voor de meest scherpzinnige fysici complex. Wat er bijvoorbeeld in de steeds krachtiger wordende componenten van computers of smartphones gebeurt, vindt niet alleen extreem snel plaats, maar ook in steeds kleinere ruimtes. Om deze processen te analyseren en bijvoorbeeld de transistors te optimaliseren, zouden opnames van hoe elektronen zich gedragen, nieuwe inzichten kunnen opleveren.
Om dit te realiseren heb je een hogesnelheidscamera nodig, die elk individueel beeld van zo’n elektronenfilm voor slechts een paar honderd attoseconden belicht. Een attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde. Dat is precies de tijd die licht nodig heeft om door een watermolecuul te reizen. Natuurkundigen gebruiken al enkele jaren navenant korte laserpulsen als atto-seconde-camera. Een andere techniek om op atomair niveau foto’s te maken is de scanning tunneling microscopy.
Quantumcamera brengt elektron tot op de atoom nauwkeurig in beeld
Tot nu toe hebben attoseconde-opnames echter alleen een momentopname opgeleverd van een elektron tegen een vrijwel vage achtergrond. Dankzij het werk van Klaus Kern, directeur van het Max Planck Instituut voor Solid State Research, en Manish Garg, een wetenschapper van zijn afdeling, kunnen onderzoekers nu precies zien waar het gefilmde elektron zich bevindt, zelfs op een atoom.
“Door een scanning tunneling microscoop te combineren met ultrasnelle laserpulsen, hebben we handig gebruik gemaakt van de voordelen van beide methoden om hun respectievelijke nadelen te compenseren,” zegt Manish Garg. Met de extreem korte lichtflitsen vuren de onderzoekers op de punt van de microscoop, die met atomaire precisie is gepositioneerd, en brengen zo het tunnelproces op gang. Op deze manier bereikt de hogesnelheidscamera voor de quantumwereld nu ook een HD-resolutie.
Op weg naar computers die een miljoen keer sneller zijn
Met de nieuwe technologie kunnen natuurkundigen nu tot op enkele honderden attoseconden en één atoom precies meten, waar de elektronen zich bevinden. Bijvoorbeeld in moleculen waaruit een hoge energieflits van licht een elektron heeft gekatapulteerd, zodat de resterende negatieve ladingsdragers zich herschikken en het molecuul mogelijk een chemische reactie met een ander molecuul aangaat. “Het kunnen filmen van elektronen in levende moleculen, op hun natuurlijke lokale en temporele schaal, is cruciaal voor het begrijpen van bijvoorbeeld chemische reactiviteit en de omzetting van lichtenergie in geladen deeltjes, zoals elektronen of ionen,” zegt Klaus Kern, directeur van het Max Planck Instituut voor Solid State Research.
Bovendien maakt de technologie het niet alleen mogelijk om de paden van elektronen te traceren via processoren en chips van de toekomst. Het kan ook de ladingsdragers drastisch versnellen: “Elektronen oscilleren in de huidige computers met een frequentie van een miljard hertz,” zegt Klaus Kern. “Met ultrakorte lichtflitsen kan hun frequentie mogelijk worden verhoogd tot een biljard hertz.” Met deze turbo voor lichtgolven zouden onderzoekers de weg kunnen vrijmaken voor lichtpulstechnologie, die computers miljoenen keren sneller kunnen maken.
Een samenvatting van het onderzoek is afgelopen vrijdag gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Science.
Meer IO-artikelen over quantumtechniek leest u via deze link.
