Tokom 1880-ih, Hajnrih Herc je otkrio da iskra koja skače između dva komada metala emituje bljesak svetlosti – brzo oscilirajući elektromagnetni talas – koji se može uhvatiti antenom. U čast njegovog revolucionarnog rada, jedinica frekvencije je 1930. nazvana „Herc“. Hercove nalaze je kasnije iskoristio Guljelmo Markoni (Nobelova nagrada za fiziku, 1909.) za prenos informacija na velike udaljenosti stvarajući radio komunikaciju i revolucionišući bežičnu telegrafiju – oblikujući savremenog sveta do danas.
Naučnici sa Odeljenja za fiziku i Regenzburškog centra za ultrabrzu nanoskopiju (RUN), Univerziteta u Regenzburgu, sada su mogli direktno da posmatraju kvantnu verziju Hercove iskre koja skače između samo dva atoma merenjem oscilograma svetlosti koju emituje sa vremenskim preciznost brže od jednog ciklusa oscilovanja svetlosnog talasa.
Ovaj novi signal je omogućio postizanje dugo traženog cilja: atomska prostorna rezolucija u potpuno optičkoj mikroskopiji. Kao komunikacioni kanal bez presedana sa kvantnim svetom, ovaj signal bi mogao biti ključan za razvoj superbrzih kvantnih tehnologija jer daje nove uvide u procese koji se dešavaju na dužinama pojedinačnih atoma i vremenskim skalama brže od triliontinog dela sekunde.
Tim fizičara je koristio atomski oštar vrh da fokusira svetlost u mali jaz između vrha vrha i površine uzorka koji se zove region bliskog polja – ovog puta je jaz ostao širok samo nekoliko atoma sa subatomskom preciznošću.
U klasičnoj fizici, gde se elektroni zamišljaju kao sitne, naelektrisane čestice, elektroni ne mogu da prodru kroz ovaj jaz. Međutim, blizina atomskog vrha i uzorka otkriva drugu prirodu čestica u kvantnoj mehanici: njihovo talasno ponašanje. Većina elektronskog talasa će biti u vrhu, ali mali deo će takođe boraviti preko praznine unutar uzorka, kao da osoba stoji sa obe strane vrata u isto vreme.
Ova kontraintuitivna dualnost kvantnih talasa i čestica manifestuje se u eksperimentalno merljivoj struji elektrona koji tunelira kroz mali jaz. Ipak, sada se ovaj proces pokreće izuzetno brzo korišćenjem svetlosnih talasa, najbržih naizmeničnih električnih polja koje fizičari mogu da kontrolišu. Oscilirajuće električno polje svetlosti ispire tunelske elektrone napred i nazad između graničnog atoma vrha i uzorka, čime pokreće kvantnu verziju Hercove iskre.
„Otkrivanje Hertzove emisije iz šačice elektrona po ciklusu oscilovanja svetlosti je u početku zvučalo kao nemoguća misija“, kaže prvi autor, Tom Sidej. „Zamislite naše iznenađenje, kada smo otkrili snažan signal – a sve zahvaljujući ultra-stabilnom vrhu koji deluje kao antena koja prenosi ovaj talas sa atomske skale.
Autori su ovu novu tehniku nazvali mikroskopija „near-field optička tunelska emisija“ (NOTE). Ovi nalazi otvaraju vrata direktnom posmatranju talasa materije kako se kotrljaju na skali atomske dužine u usporenom kretanju. Rezultati su objavljeni u časopisu Priroda.
Ovo revolucionarno otkriće postalo je moguće sa jedinstvenim ultrabrzim optičkim mikroskopom koji kombinuje ekstremnu prostornu rezoluciju najsavremenijeg mikroskopa za skeniranje sonde sa potpuno optičkim merenjem signala – „svetlo ulazi, izlazi svetlo“.
„Elektronika je fenomenalno osetljiva, ali suviše spora da bi direktno pratila trenutne oscilacije u kvantnoj iskri vođenoj svetlosnim talasima, tako da se mora pogledati unutar oscilacija same emitovane svetlosti“, objašnjava stariji autor Rupert Huber.
„NAPOMENA je rođena kada smo primetili da su dolazni i izlazni svetlosni talasi pomereni u vremenu za četvrtinu perioda oscilovanja — samo za četvrtinu triliontinog dela sekunde u našem eksperimentu! Morali smo da obezbedimo da je čitavo naše optičko podešavanje dovoljno stabilno da otkrili ovaj mali pomak i da imamo apsolutnu kontrolu nad oscilirajućim svetlosnim poljem“, nastavlja jedan od vodećih autora, Johannes Haies.
„Vrh antene mora da ostane na vrhu istog atoma, čak iu srcu intenzivnog fokusa moćnih laserskih impulsa — sve na udaljenosti manjoj od jedne desethiljaditi deo prečnika ljudske kose. Samo najstabilniji eksperimentalni uslovi su dovoljno dobri“, zaključuje drugi glavni autor, Feliks Šigl.
Dešifrovanje ovog kvantnog telegrafskog signala je i dalje izazov. Nije dovoljno uzeti u obzir samo dva atoma, između kojih skače kvantna iskra, jer na dinamiku u velikoj meri utiče okruženje. Da bi iz prvih principa simulirao kvantni odgovor zapanjujućih 10 10 atoma, Jan Vilhelm je koristio superkompjuter da reprodukuje vremensko pomeranje potpisa NOTE signala i pruži prvi uvid u kvantni tok elektrona vođen svetlosnim talasima i izobličenje atomskih orbitala.
NOTE je već omogućio otkrivanje nove fizike. „Elektroni koji prelaze od vrha do uzorka i zatim se vraćaju nazad su skoro hipotetički — nevidljivi za elektroniku, ali ne i za NAPOMENA“, objašnjava korespondentni autor Jaroslav Gerasimenko.
„Oni samo moraju da ostanu ispod vrha dok svetlosno polje ne promeni svoj pravac da bi se moglo vratiti.“ Gledajući atomski tanak izolator – materijal koji se opire širenju elektrona – fizičari su dobili prvi pogled na ove ultrabrze struje materije i sada mogu da pogledaju ranije skrivenu dinamiku atomske skale u izolacionim slojevima koji su sveprisutni u elektronici i fotonaponu.
Ovi novi rezultati predstavljaju revolucionarni napredak u optičkoj mikroskopiji, dovodeći je do krajnje dužine i vremenske skale istovremeno. Direktno posmatranje ultrabrzih tunelskih struja moglo bi omogućiti razumevanje elektronske dinamike bez presedana u kvantnim materijalima i kvantnim platformama za računarstvo i skladištenje podataka.
NOTE dalje otvara vrata dinamici jakog polja na atomskoj skali kao što je elektronika svetlosnih talasa. Otkriće ovog kanala komunikacije sa kvantnim svetom moglo bi, baš kao i Hercovi nalazi pre više od 100 godina, da izazove revoluciju u prenosu informacija. Štaviše, to bi moglo biti ključno za razumevanje mikroskopske dinamike koja oblikuje uređaje sutrašnjice.
