Forskere præsenterer de mest nøjagtige tidsmålinger af kvantespring til dato

Når et kvantesystem ændrer sin tilstand, dette kaldes et kvantespring. Som regel, disse kvantespring anses for at være øjeblikkelige. Nu, nye metoder til højpræcisionsmålinger giver os mulighed for at studere tidsudviklingen af ​​disse kvantespring. På en tidsskala på attosekunder, deres tidsstruktur bliver synlig. Det er den mest nøjagtige tidsmåling af kvantespring til dato.

Kvantpartikler kan ændre deres tilstand meget hurtigt - dette kaldes et "kvantespring". Et atom, for eksempel, kan absorbere en foton, derved ændres til en tilstand med højere energi. Som regel, disse processer menes at ske øjeblikkeligt, fra det ene øjeblik til det næste. Imidlertid, med nye metoder, udviklet på TU Wien (Wien), det er nu muligt at studere tidsstrukturen for sådanne ekstremt hurtige tilstandsændringer. Ligesom et elektronmikroskop tillader os at se på små strukturer, der er for små til at blive set med det blotte øje, ultrakorte laserpulser giver os mulighed for at analysere tidsstrukturer, der før var utilgængelige.

Den teoretiske del af projektet blev udført af prof. Joachim Burgdörfers team på TU Wien (Wien), som også udviklede den første idé til forsøget. Eksperimentet blev udført på Max-Planck-Institute for Quantum Optics i Garching (Tyskland). Resultaterne er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik .

Den mest nøjagtige tidsmåling af kvantespring

Et neutralt heliumatom har to elektroner. Når det rammes af en laser med høj energi, det kan ioniseres:en af ​​elektronerne bliver revet ud af atomet og afgår fra det. Denne proces sker på en tidsskala på attosekunder - et attosekund er en milliarddel af en milliarddel af et sekund.

"Man kunne forestille sig, at den anden elektron, der bliver i atomet, spiller ikke rigtig en vigtig rolle i denne proces - men det er ikke sandt ", siger Renate Pazourek (TU Wien). De to elektroner er korrelerede, de er tæt forbundet med lovene i kvantefysikken, de kan ikke ses som uafhængige partikler. "Når en elektron fjernes fra atomet, noget af laserenergien kan overføres til den anden elektron. Det forbliver i atomet, men det løftes op til en tilstand med højere energi ", siger Stefan Nagele (TU Wien).

Derfor, det er muligt at skelne mellem to forskellige ioniseringsprocesser:en, hvor den resterende elektron får ekstra energi og en, hvor den forbliver i en tilstand af minimal energi. Ved hjælp af en sofistikeret eksperimentel opsætning, det var muligt at vise, at varigheden af ​​disse to processer ikke er nøjagtig den samme.

"Når den resterende elektron hopper til en ophidset tilstand, fotoioniseringsprocessen er lidt hurtigere - med cirka fem attosekunder ", siger Stefan Nagele. Det er bemærkelsesværdigt, hvor godt de eksperimentelle resultater stemmer overens med teoretiske beregninger og store computersimuleringer udført i Wien Scientific Cluster, Østrigs største supercomputer:"Eksperimentets præcision er bedre end et attosekund. Dette er den mest nøjagtige tidsmåling af et kvantehopp til dato", siger Renate Pazourek.

Kontrol af Attoseconds

Eksperimentet giver ny indsigt i fysikken i ultrakorte tidsskalaer. Effekter, som for et par årtier siden stadig blev betragtet som "øjeblikkelig", kan nu ses som tidsmæssige udviklinger, der kan beregnes, målt og endda kontrolleret. Dette hjælper ikke kun med at forstå de grundlæggende naturlove, det bringer også nye muligheder for at manipulere stof i en kvanteskala.