Forskere får første kig på elektroner, der undslipper atomer

Forskere har - for blot en brøkdel af et sekund - skimtet et elektronblik af verden. Det er, det er lykkedes for første gang at spore en elektron, der forlader nærheden af ​​et atom, da atomet absorberer lys. På en måde, der ligner at tage "snapshots" af processen, de var i stand til at følge, hvordan hver elektrons unikke momentum ændrede sig i løbet af den utroligt korte tid, det tog at undslippe sit værtsatom og blive en fri elektron.

I journalen Naturfysik , forskerne skriver, at det at følge elektroner i så fine detaljer udgør et første skridt mod at kontrollere elektronernes adfærd inde i stoffet – og dermed det første skridt ad en lang og kompliceret vej, der i sidste ende kan føre til evnen til at skabe nye tilstande af stof efter behag.

En umiddelbar konsekvens er, at forskere nu kan klassificere den kvantemekaniske opførsel af elektroner fra forskellige atomer, forklarede projektleder Louis DiMauro, Hagenlocker-formand og professor i fysik ved Ohio State University.

"Nu kan vi se på en elektron og dechifrere dens tidlige historie. Vi kan spørge, hvordan er det anderledes, om det kom fra et heliumatom eller et neonatom, for eksempel, " han sagde.

Men forskernes ultimative mål er at kortlægge kvantemekaniske systemer - som gælder for den ultra-lille verden - i en meget større skala, så de i sidste ende kan styre bevægelserne af subatomare partikler inde i et molekyle.

"Hvis du tænker på hvert snapshot, vi tager som en ramme i en film, måske kunne vi en dag stoppe filmen ved et bestemt billede og ændre, hvad der derefter sker – for eksempel ved at stikke en elektron med lys og ændre dens retning. Det ville være som at gå ind i en kemisk reaktion og få reaktionen til at ske på en anden måde, end den ville naturligt, " sagde DiMauro.

I det væsentlige, han og fysikdoktorand Dietrich Kiesewetter og deres kolleger har bevist, at en veletableret laboratorieteknik til at studere frie elektroner kunne bruges til at studere elektroner, der endnu ikke er helt frie, men snarere i færd med at forlade et atom.

Elektroner opfører sig anderledes, når de kan mærke træk af subatomare kræfter fra en kerne og naboelektroner, og jo længere væk de kommer fra et atom, disse kræfter aftager. Selvom frigørelse tager mindre end et femtosekund (en kvadrilliontedel af et sekund), denne undersøgelse viser, hvordan en elektrons momentum ændrer sig mange gange undervejs, når den mister kontakten med individuelle dele af atomet. Disse ændringer finder sted på skalaen af ​​attosekunder (tusindedele af et femtosekund, eller kvintilliontedele af et sekund).

Teknikken forskerne brugte kaldes RABBITT, eller rekonstruktion af Attosecond-slag ved at forstyrre to-foton-overgange, og det involverer at ramme atomerne i en gas med lys for at afsløre kvantemekanisk information. Det har eksisteret i næsten 15 år, og er blevet en standardprocedure til at studere processer, der sker på meget korte tidsskalaer.

Ikke al den kvantemekaniske information, der kommer fra RABBITT, er brugbar, dog – eller, i det mindste, ikke det hele blev anset for at være brugbart indtil nu. Derfor har de døbt deres version af teknikken RABBITT+.

"Vi bruger den information, som andre mennesker ville smide væk, den del, der kommer fra tæt på atomets kerne, fordi data altid virkede for komplekse til at dechifrere, " DiMauro sagde. "Vi udviklede en model, der viser, at vi kan udtrække nogle simple, men vigtige oplysninger fra den mere komplekse information."

DiMauro krediterede Robert Jones, Francis H. Smith professor i fysik ved University of Virginia, med at udarbejde nøgleelementer i modellen, der gjorde informationen brugbar. Andre medforfattere af papiret inkluderer Pierre Agostini, professor i fysik ved Ohio State, og tidligere ph.d.-studerende Stephen Schoun og Antoine Camper, som siden er blevet færdiguddannet.