Физики разработали фемтосекундную микроскопию для электромагнитных полей

Физики из Университета Людвига Максимилиана разработали новую методику электронной микроскопии, которая позволяет увидеть сверхбыстрые колебания электромагнитного поля. Ученые проверили ее, проанализировав изменения в электронном поле, которые происходят при взаимодействии метаматериалов с видимым светом. По словам авторов, новый метод микроскопии позволит увидеть электродинамические явления в микромасштабе в любых современных электронных устройствах. Исследование опубликовано в журнале Science.

Методика основана на коротких пучках электронов, с помощью которых происходит анализ электромагнитного поля. Авторы разработали способ генерации импульсов, состоящих из нескольких электронов и обладающих длительностью порядка фемтосекунд — в миллион миллиардов раз короче секунды. Длительность пучков оказывается даже короче, чем время, за которое волна света совершает полное колебание.

Видеозапись колебаний, сгенерированная авторами. Сторона квадрата равна 460 микрометрам.

С помощью таких импульсов физики создали видеозапись того, как меняются характеристики электромагнитного поля при взаимодействии терагерцового излучения (время колебания порядка стамиллиардных долей секунды) с металлической антенной. В частности, метод позволял отслеживать, как колеблются векторы напряженности и индукции электрического и магнитных полей, получая информацию об их фазе, амплитуде и поляризации.

В момент взаимодействия волны с антенной электроны, расположенные на ее поверхности, начинают колебаться. Это порождает колебания электромагнитного поля в ближайшей окрестности антенны — так называемом ближнем поле. Налетающие  электроны из фемтосекундных импульсов отклонялись и рассеивались на этом электромагнитном поле. Ученые фиксировали эти отклонения и на их основе оценивали состояние полей.

Физики предполагают, что в будущем эта технология позволит увидеть на микроскопическом уровне то, как работают транзисторы и оптоэлектронные переключатели. Кроме того, по словам авторов, новая микроскопия поможет в дизайне метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления. Методика позволяет в точности узнать как антенны материала взаимодействуют со светом.

Владимир Королёв