„Attoclock“ měří elektrony pohybující se kvintiliontinami sekundy

Pohyby na částicovém měřítku se dějí extrémně rychle, což může ztížit vidění, co se tam děje. Nyní inženýři na univerzitách v Michiganu a Regensburgu vyvinuli „attoclock“, které dokážou pořizovat snímky elektronů v krocích tak malých, jako jsou kvintiliontiny sekundy.

U současných počítačů se frekvence hodin měří v nanosekundách, což je miliardtina sekundy. A i když je to dost rychlé na to, k čemu je dnes používáme, kvantové počítače mají potenciál drasticky urychlit věci – jen nejprve potřebujeme ty správné nástroje.

„Procesor vašeho současného počítače pracuje v gigahertzech, což je jedna miliardtina sekundy na operaci,“ řekl Mackillo Kira, hlavní autor studie. „V kvantovém počítání je to extrémně pomalé, protože elektrony v počítačovém čipu se srazí bilionkrát za sekundu a každá kolize ukončí kvantový výpočetní cyklus. To, co jsme potřebovali, abychom výkon posunuli vpřed, jsou snímky tohoto pohybu elektronů, které jsou miliardkrát rychlejší. A teď to máme.“

Nové zařízení týmu provádí měření ve zcela jiném časovém rámci – attosekundy, což je jedna kvintiliontina sekundy. Abychom uvedli, jak krátký je tento časový rámec, v jedné sekundě je více než dvakrát více attosekund, než je sekund v celé historii vesmíru až do tohoto bodu.

Je samozřejmé, že nahrávání tak malých časových přírůstků by bylo náročné, ale tým vyvinul nový systém, který jim to umožňuje. Technika zahrnuje dva světelné pulsy s energiemi, které odpovídají elektronům – první je puls infračerveného světla, který dostane elektrony do stavu, kdy se mohou pohybovat polovodičovým materiálem. Dále je aplikován terahertzový (THz) puls s nižší energií, který posílá elektrony na trajektorie, aby vyvolal čelní srážky. To vytváří záblesk světla a přesné načasování těchto záblesků lze analyzovat a odhalit kvantové interakce a další podrobnosti.

„Použili jsme dva pulzy – jeden, který je energeticky přizpůsobený stavu elektronu, a druhý pulz, který způsobí změnu stavu,“ řekl Kira. „Můžeme v podstatě natočit, jak tyto dva pulzy mění kvantový stav elektronu, a pak to vyjádřit jako funkci času.“

Tým říká, že zařízení, jako je toto, jsou prvním krokem k lepším kvantovým počítačům tím, že posouvají naše chápání toho, jak se elektrony pohybují, chovají a interagují v materiálech.

Výzkum byl publikován v časopise Příroda.

Zdroj: University of Michigan