Исследовательский центр Юлиха в Германии представил самостоятельно разработанный микроскоп импульсов, который позволяет получать более четкие изображения импульсного пространства электронов в материалах. Способ движения электронов в кристаллической решетке определяет ключевые свойства материалов, такие как электропроводность, магнитные и квантовые эффекты. Понимание поведения электронов имеет важное значение для будущего развития информационных технологий. «В настоящее время международный интерес к этому методу быстро растет», — объясняет доктор Кристиан Туше из Исследовательского центра Юлиха.
Доктор Туше сыграл ключевую роль в продвижении технологии микроскопии импульсов, его работа была отмечена премией Кая Сигбана в 2018 году и премией за инновации в синхротронном излучении в 2016 году. Недавно он также опубликовал обзорную статью об этом методе в журнале «Applied Physics Letters». «Наше новое устройство, разработанное совместно с механической мастерской, является настоящим инновационным продуктом. В настоящее время ни одна профессиональная компания не предлагает ничего подобного», — заявил доктор Туше.
Ранее микроскопы импульсов обычно требовали крупных исследовательских установок в качестве источников излучения, таких как ускорители электронов или рентгеновские лазеры. Система Юлиха использует настольный ультрафиолетовый лазер, что благодаря новой разработке электронной оптики обеспечивает более высокую эффективность и дает более четкие изображения электронных состояний. Устройство основано на фотоэлектрическом эффекте: когда свет падает на материал, электроны испускаются, сохраняя свой импульс и направление спина, что позволяет реконструировать их квантовое состояние. «Однако при захвате спина и импульса в более широком энергетическом диапазоне традиционные методы имеют ограничения», — пояснил доктор Туше. Микроскоп импульсов объединяет два метода, «позволяя получить полное изображение всего за одно или несколько измерений».
Микроскоп импульсов может показывать не только положение электронов, но и их способ движения, получая в одном эксперименте информацию об импульсе, спине, орбите и изменениях в пространстве-времени. Одним из ключевых результатов является поверхность Ферми, которая описывает распределение импульса электронов и используется для определения основных физических свойств материала. Исследователи используют ее в качестве «отпечатка пальца», который может показать, является ли материал металлом, полупроводником или квантовым материалом со сверхпроводимостью или сложными магнитными свойствами.
С момента своего появления технология микроскопии импульсов уже добилась нескольких прорывов. Команда доктора Туше успешно создала двумерный полуметалл, который позволяет проводить электричество только электронам с определенным направлением спина — это открывает возможности для спинтроники. Кроме того, исследователи наблюдали новые эффекты, контролирующие орбитальный угловой момент электронов, что открывает перспективы для будущей «орбитроники». Устройство подходит для различных современных материалов, включая металлы, ферромагнетики, оксиды, органические пленки и топологические квантовые материалы. Его электронные линзы могут виртуально перемещаться путем изменения напряжения, увеличивая определенные части импульсных изображений. Использование лазера для возбуждения электронов также позволяет проводить эксперименты с временным разрешением, изучая сверхбыстрые процессы при включении и выключении электронных устройств.
Доктор Туше заявил: «Наша самая большая надежда — столкнуться с неизвестными эффектами, которые мы никогда раньше не видели». В настоящее время микроскоп все еще находится на стадии тестирования, используя кристаллы золота в качестве калибровочного эталона. В дальнейшем он будет применяться к другим материалам, открывая новое окно в исследование квантового мира.
Детали публикации: Авторы: Чэнь Инцзюнь и др., Название: «Микроскоп импульсов и его применение», Опубликовано в: «Applied Physics Letters» (2026). Информация о журнале: «Applied Physics Letters»
