Електрони, які зазвичай перебувають у спокої під дією лазерного світла, виявляють цікаву поведінку, коли інтенсивність цього світла змінюється на шляху. Уявіть собі простий сценарій: електрон, охоплений інтенсивними лазерними імпульсами, вібрує як резонатор на частоті світлових хвиль. Після того, як імпульс згасає, це тріпотіння припиняється, і електрон повертається у вихідну точку.
Але що станеться, якщо потужність лазера не буде рівномірною? Уявіть собі, що лазерний промінь створює якесь оптичне «зміщення». Якщо електрон рухається вздовж цього нахилу під час пульсації світла, він отримує додатковий поштовх із кожним коливанням — свого роду дрейфовий рух, який зберігається навіть після закінчення імпульсу. Це явище називається пондеромоторним прискоренням.
Вчені спостерігали цей «ковзний» ефект десятиліттями, але зазвичай потрібні довгі лазерні імпульси з великою тривалістю коливань, щоб чітко побачити його. Ключовим завданням було досягнення достатньої просторової мінливості інтенсивності світла, щоб ефект був помітний протягом одного імпульсу.
Тепер дослідники досягли цього за допомогою неймовірно гострих металевих голок, освітлених ультракороткими лазерними імпульсами, що містять лише три коливання. Цей прорив був опублікований у Nature Physics.
Голки посилюють ефект: ближчий погляд на динаміку надшвидкого електрона
Вчені створили неймовірно тонкі наконечники голок із вольфраму — лише кілька нанометрів завширшки — які різко підсилюють зміни інтенсивності світла під час попадання на них лазерного імпульсу. Це дозволило їм спостерігати прискорення Ponderomotive навіть під час однієї флуктуації світла, що раніше вважалося неможливим.
Це відкриття було особливо несподіваним, оскільки ці гострі голки очікувалося пригнічувати рух пондеромотора. Натомість повільні електрони, випущені з голки, виявили несподівану смугу – посилення ефектів Пондеромотора, які раніше не спостерігалися.
«Наші експерименти навіть виявили посилення пондеромоторних ефектів для повільних електронів», — пояснює д-р Йонас Хеймерл, один із учасників проекту.
Це відкриття виходить за рамки простого спостереження ефекту. Дослідники використали детальне чисельне моделювання, щоб кількісно визначити, як Ponderomotive прискорення працює на таких надшвидких масштабах часу, відкриваючи абсолютно нові шляхи для вивчення поведінки електронів.
Від фундаментального розуміння до майбутніх застосувань
Ці відкриття є свідченням потужності поєднання експериментальних проривів із передовими теоретичними моделями. Розуміючи цей процес на такому фундаментальному рівні — на рівні індивідуальних коливань світла — вчені мають нові потужні інструменти для маніпулювання електронами та керування ними в реальному часі.
Це відкриває двері для захоплюючих застосувань у надшвидкісній метрології, де неймовірно точні вимірювання є критичними, а також в оптоелектроніці, де маніпулювання рухом електронів має вирішальне значення для розробки швидших і ефективніших пристроїв.
