0,0000000000000000005 sekundy – fizycy generują jeden z najkrótszych sygnałów, jakie kiedykolwiek wytworzył człowiek

Naukowcy z Uniwersytetu w Konstancji opracowali metodę wykorzystującą femtosekundowe błyski światła do generowania impulsów elektronicznych trwających około pięciu attosekund. Osiągnięcie to, zapewniające wyższą rozdzielczość czasową niż fale świetlne, otwiera drogę do obserwacji ultraszybkich zjawisk, takich jak reakcje jądrowe.

Fizycy z Uniwersytetu w Konstancji wygenerowali jeden z najkrótszych sygnałów, jakie kiedykolwiek wytworzył człowiek.

Procesy molekularne lub półprzewodnikowe w przyrodzie mogą czasami zachodzić w ramach czasowych tak krótkich jak femtosekundy (kwadrylionowe części sekundy) lub attosekundy (kwintylionowe części sekundy). Reakcje jądrowe są szybsze. Teraz Maxim Carew, Johannes Thurner i Peter Baum, naukowcy z Uniwersytetu w Konstancji, wykorzystują nowy układ eksperymentalny do uzyskiwania sygnałów o czasie trwania attosekund, czyli miliardowych części nanosekundy, otwierając nowe horyzonty w dziedzinie ultraszybkich zjawisk.

Nawet fale świetlne nie są w stanie osiągnąć takiej rozdzielczości czasowej, ponieważ pojedyncze oscylacje trwają zbyt długo. Elektrony stanowią tu lekarstwo, ponieważ pozwalają na znacznie wyższą rozdzielczość czasową. W swoim układzie eksperymentalnym badacze z Konstanz wykorzystali pary femtosekundowych błysków światła z lasera do wygenerowania niezwykle krótkich impulsów elektronów w wiązce w wolnej przestrzeni. Wyniki publikowane są w czasopiśmie Fizyka przyrody.

Jak do tego podeszli naukowcy?

Podobnie jak fale wodne, fale świetlne mogą również nakładać się na siebie, tworząc grzbiety i doliny fal stacjonarnych lub płynących. Fizycy dobrali kąty padania i częstotliwości tak, aby elektrony biorące udział w propagacji, które przelatują przez próżnię z połową prędkości światła, zachodziły na grzbiety i doliny fal świetlnych z dokładnie tą samą prędkością.

Tak zwana głęboka siła napędowa popycha elektrony w stronę doliny następnej fali. Zatem po krótkiej interakcji generowana jest bardzo krótka seria impulsów elektronowych – szczególnie w środku ciągu impulsów, gdzie pola elektryczne są bardzo silne.

Przez krótki czas czas trwania impulsów elektronów wynosi tylko około pięciu attosekund. Aby zrozumieć ten proces, badacze zmierzyli rozkład prędkości elektronów pozostałych po kompresji. „Zamiast bardzo jednolitej prędkości impulsów wyjściowych widać bardzo szeroki rozkład wynikający z silnego zwalniania lub przyspieszania niektórych elektronów podczas kompresji” – wyjaśnia fizyk Johannes Thurner. „Ale nie tylko to: rozkład nie jest gładki. Zamiast tego składa się z tysięcy kroków prędkości, ponieważ tylko całkowita liczba par lekkich cząstek może jednocześnie oddziaływać z elektronami.

Znaczenie badań

Naukowiec twierdzi, że mechanika kwantowa to superpozycja czasowa (nakładanie się) elektronów na siebie, po doświadczeniu tego samego przyspieszenia w różnym czasie. Efekt ten ma znaczenie w eksperymentach mechaniki kwantowej, na przykład interakcji elektronów i światła.

Jest to również uderzające: płaskie fale elektromagnetyczne, takie jak wiązka światła, zwykle nie mogą powodować trwałych zmian w prędkości elektronów w próżni, ponieważ całkowita energia i całkowity pęd masywnego elektronu i cząstki światła mają masę zerową (Foton) nie można zapisać. Jednakże obecność dwóch fotonów jednocześnie w fali poruszającej się z prędkością mniejszą niż prędkość światła rozwiązuje ten problem (efekt Kapitza-Diraca).

Dla Petera Bauma, profesora fizyki i kierownika Grupy Światła i Materii na Uniwersytecie w Konstancji, wyniki te są w dalszym ciągu wyraźnie badaniami podstawowymi, ale podkreśla ogromny potencjał przyszłych badań: „Jeśli substancja zderzy się z dwoma naszymi krótkimi impulsami i w zmiennych odstępach czasu pierwszy impuls może wywołać. Aby zmienić drugi impuls, można go wykorzystać do nadzoru – podobnie jak lampa błyskowa aparatu.

Z jego punktu widzenia wielką zaletą jest to, że nie ma materii objętej zasadą empiryczną i wszystko dzieje się w wolnej przestrzeni. W zasadzie w przyszłości można by zastosować lasery o dowolnej mocy, aby uzyskać większy nacisk. „Nasze nowe ciśnienie fotonów pozwala nam przenieść się w nowe wymiary czasu, a może nawet obrazować reakcje jądrowe” – mówi Baum.

Odniesienie: „Nieliniowa optyczna kontrola kwantowa fal swobodnej materii elektronicznej” autorstwa Maxima Tsarewa, Johannesa W. Thurnera i Petera Bauma, 12 czerwca 2023 r., fizyka przyrody.
doi: 10.1038/s41567-023-02092-6