Řízení pohybu elektronů otevírá cestu k nové generaci kvantových technologií

Výsledky jejich výzkumu publikoval prestižní časopis Physical Review Letters jako doporučený článek redakce.

Výzkum fyziků z českých institucí ukazuje, jak světelná pole umožňují řídit s mimořádnou přesností děje uvnitř materiálů. Této kontroly dosáhli pomocí kombinace dvou laserových paprsků o různých frekvencích, které společně vytváří světelné pole s přesně nastavitelným tvarem. Takto tvarované pulzy umožňují určit přesný okamžik, kdy elektron v materiálu přejde do vodivostního pásma – tedy kdy se uvolní a začne se volně pohybovat.

Když světelné vlny spolupracují

Představte si korálek, který se pohybuje po dokonalé sinusoidě. Když tuto vlnu zkombinujete s jinou, o trojnásobné frekvenci, vznikne nová, asymetrická křivka. V některých místech je vyšší, v jiných nižší – její tvar závisí na tom, jak jsou obě vlny vůči sobě časově posunuté. Právě tvarem tohoto výsledného pole mohou vědci velmi přesně ovlivnit, kdy dojde k uvolnění elektronu.

A pokud se elektron uvolní ve správný okamžik, může se díky oscilujícímu světelnému poli později znovu sloučit s „dírou“. Při této rekombinaci vyzáří přebytečnou energii ve formě fotonu s mnohem vyšší energií, než měl laser, který celý proces spustil. Tento jev se nazývá generace vysokých harmonických (HHG – High Harmonic Generation).

„Díky přesné kontrole okamžiku, kdy se elektron uvolní, můžeme studovat ultrarychlé procesy s přesností, která byla dříve dostupná jen ve velkých výzkumných centrech — a nikoliv v běžných laboratořích. Je fascinující, jak citlivě elektron reaguje i na drobné změny tvaru světelného pole a jak přesné dokážou být naše předpovědi,“ říká Thibault J.-Y. Derrien, spoluautor studie a vedoucí skupiny Ultrarychlé fotoniky z oddělení Vědeckých aplikací laserů Sekce optiky.

Co přesně vědci sledovali

Cílem výzkumu bylo otestovat možnosti v současnosti dostupných kvantově-mechanických simulačních kódů pro předpovídání chování elektronů. Spektroskopie vysokých harmonických představuje mimořádně přesný nástroj, který umožňuje sledovat dynamiku náboje v pevných látkách během ozáření laserem. Tým zkoumal chování elektronů v krystalickém křemíku při ozáření dvěma překrývajícími se laserovými pulzy – jedním na základní infračervené frekvenci a druhým na její třetí harmonické. Tyto pulzy byly přesně synchronizovány tak, aby vytvořily světelné pole s řízenou časovou strukturou.

Ukázalo se, že tvar laserového pole ovlivňuje nejen to, kolik světla se vyzáří, ale i kdy k tomu přesně dojde. Vědci navíc prokázali, že tento čas lze jemně ladit změnou fázového posunu mezi oběma laserovými pulzy, a to v běžném laboratorním uspořádání. Zajímavé je, že okamžik, kdy elektrony začínají proudit materiálem, není stejný jako ten, kdy vzniká nejvíce vysokofrekvenčního světla. Dokonce i velmi slabé přimíchání třetí harmonické (například jen 5 % intenzity) může zásadně změnit výsledek.

Brána do světa ultrarychlých dějů

Schopnost přesně řídit pohyb elektronů otevírá nové možnosti pro vývoj extrémně rychlých elektronických a optických zařízení a pro zkoumání dějů v kvantových systémech. Případně by ji v budoucnu mohlo být možné využít k mimořádně citlivému zkoumání struktury materiálů a sledování dějů uvnitř látky během interakce se světlem (podobně jako u metody „časově rozlišených rentgenových snímků“).

„Velmi mě těší skvělý úspěch, kterého kolegové z Oddělení vědeckých aplikací laserů dosáhli. Tým rozšířil Sekci optiky teprve v lednu letošního roku, a už nyní přináší takto silné výsledky. Je to výborná ukázka kombinace expertizy a efektivní spolupráce týmů napříč českými vědeckými institucemi,“ řekl vedoucí Sekce optiky Alexandr Dejneka.

5. 8. 2025 Oprava: Autorka článku opravila znění prvního odstavce. Hlavním autorem práce je Martin Kozák z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy.  

Autorka: Klára Horová

Zdroj: Fyzikální ústav AV ČR