Forskere observerer, hvordan kvante -superpositioner opbygges i et heliumatom inden for femtosekunder

I eksperimentet med dobbeltspalte, en partikel bevæger sig på to forskellige veje på samme tid. Noget lignende kan observeres, når et heliumatom ioniseres med en laserstråle. Ioniseringen af ​​helium kan ske via to forskellige processer, og dette fører til karakteristiske interferenseffekter. Et team af forskere har nu formået at observere opbygningen af ​​disse effekter - selvom denne effekt finder sted på en tidsskala på femtosekunder.

Det er bestemt det mest berømte eksperiment inden for kvantefysik:i dobbeltspalte -eksperimentet, en partikel affyres på en plade med to parallelle spalter, så der er to forskellige veje, hvorpå partiklen kan nå detektoren på den anden side. På grund af sine kvanteegenskaber, partiklen behøver ikke at vælge mellem disse to muligheder, den kan passere gennem begge slidser på samme tid. Noget ganske lignende kan observeres, når et heliumatom ioniseres med en laserstråle.

Ligesom de to stier gennem pladen, ioniseringen af ​​helium kan ske via to forskellige processer på samme tid, og dette fører til karakteristiske interferenseffekter. I tilfælde af heliumatomet, de kaldes "Fano resonanser". Et team af forskere fra TU Wien (Wien, Østrig), Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg (Tyskland) og Kansas State University (USA) har nu formået at observere opbygningen af ​​disse Fano-resonanser-selvom denne effekt finder sted på en femtosekunders tidsskala.

Forsøget blev udført i Heidelberg, det oprindelige forslag til et sådant eksperiment og computersimuleringer blev udviklet af teamet fra Wien, yderligere teoretiske beregninger kom fra Kansas State University.

Direkte og indirekte vej

Når en laserpuls overfører nok energi til en af ​​elektronerne i heliumatomet, elektronen bliver revet ud af atomet med det samme.

Der er, imidlertid, en anden måde at ionisere heliumatomet på, hvilket er lidt mere komplekst, som professor Joachim Burgdörfer (TU Wien) forklarer:"Hvis laseren i første omgang løfter begge elektroner til en tilstand med højere energi, en af ​​elektronerne kan vende tilbage til tilstanden med lavere energi. En del af denne elektron energi overføres til den anden elektron, som derefter kan forlade heliumatomet. "

Resultatet af disse to processer er nøjagtig det samme - begge gør det neutrale heliumatom til en ion med en resterende elektron. Fra dette perspektiv, de er grundlæggende umulige.

Fano -resonanser

"I henhold til lovene i kvantefysikken, hvert atom kan gennemgå begge processer på samme tid ", siger Renate Pazourek (TU Wien). "Og denne kombination af stier efterlader os karakteristiske spor, der kan opdages." Analyse af lyset absorberet af heliumatomerne, såkaldte Fano -resonanser findes - et umiskendeligt tegn på, at den endelige tilstand blev nået via to forskellige veje.

Dette kan også forhindres. Under ioniseringsprocessen, den indirekte vej kan effektivt slukkes med en anden laserstråle, så kun den anden vej forbliver åben, og Fano-resonansen forsvinder.

Dette åbner op for en ny mulighed for at studere tidsudviklingen af ​​denne proces. I starten atomet får lov til at følge begge veje samtidigt. Efter nogen tid, den indirekte vej er blokeret. Afhængigt af hvor længe systemet fik adgang til begge stier, Fano-resonansen bliver mere eller mindre tydelig.

"Fano -resonanser er blevet observeret i en lang række fysiske systemer, de spiller en vigtig rolle i atomfysikken ", siger Stefan Donsa (TU Wien). "For første gang, det er nu muligt at kontrollere disse resonanser og vise præcist, hvordan de opbygges inden for femtosekunder. "" Disse kvanteeffekter er så hurtige, at de ser ud til at ske øjeblikkeligt på vores sædvanlige tidsskalaer, fra det ene øjeblik til det andet ", siger Stefan Nagele. "Kun ved at anvende nye sofistikerede metoder til attosekundfysik er det blevet muligt at studere tidsudviklingen af ​​disse processer."

Dette hjælper ikke kun kvanteforskere med at forstå den grundlæggende teori om vigtige kvanteeffekter, det åbner også op for nye muligheder for at kontrollere sådanne processer - for eksempel at lette eller hæmme kemiske reaktioner.

Undersøgelsen er offentliggjort i dag Videnskab .

I samme nummer af Videnskab magasin, et team af forskere fra Frankrig og Spanien har udgivet en anden artikel, hvor en komplementær metode til tidsopløst fotoelektronspektroskopi bruges til at få et syn på Fano-resonansen.