Attosekunder bryder ind i atomets indre

En nyudviklet laserteknologi har gjort det muligt for fysikere i Laboratory for Attosecond Physics (i fællesskab drevet af LMU München og Max Planck Institute of Quantum Optics) at generere attosecond-bursts af højenergifotoner med en hidtil uset intensitet. Dette har gjort det muligt at observere interaktionen mellem flere fotoner i en enkelt sådan puls med elektroner i den indre orbitalskal af et atom.

For at observere den ultrahurtige elektronbevægelse i atomernes indre skaller med korte lyspulser, impulserne må ikke kun være ultrakorte, men meget lyst, og de leverede fotoner skal have tilstrækkelig høj energi. Denne kombination af ejendomme har været søgt i laboratorier rundt om i verden i de sidste 15 år. Fysikere på Laboratory for Attosecond Physics (LAP), et joint venture mellem Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) og Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), nu er det lykkedes at opfylde de nødvendige betingelser for at nå dette mål. I deres seneste forsøg, de har været i stand til at observere den ikke-lineære interaktion mellem en attosekundspuls og elektroner i en af ​​de indre orbitale skaller omkring atomkernen. I denne sammenhæng, udtrykket 'ikke-lineært' angiver, at interaktionen involverer mere end en foton (i dette særlige tilfælde er to involveret). Dette gennembrud blev muliggjort ved udviklingen af ​​en ny kilde til attosekundpulser. Et attosekund varer i præcis en milliarddel af en milliarddel af et sekund.

Døren til at observere den ultrahurtige bevægelse af elektroner dybt inde i atomer er blevet åbnet. Fysikere i Laboratory for Attosecond Physics (LAP) ved LMU München har udviklet en teknologi, der giver dem mulighed for at generere intense attosekundpulser. Disse pulser kan bruges til at følge elektronernes bevægelse inden for atomernes indre skaller i realtid ved at fryse denne bevægelse ved attosekundets lukkerhastigheder.

Den eksperimentelle procedure, der bruges til at filme elektroner i bevægelse, gør brug af 'pumpesonde'-metoden. Elektroner i et målatom exciteres først af en foton indeholdt i pumpens puls, som derefter efter en kort forsinkelse følges af en anden foton i en sondepuls. Sidstnævnte afslører i det væsentlige virkningen af ​​pumpefoton. For at gennemføre denne procedure, fotonerne skal være så tæt pakket, at et enkelt atom inden for målet kan blive ramt af to fotoner i træk. I øvrigt, hvis disse fotoner skal have en chance for at nå de indre elektronskaller, de skal have energier i den øvre ende af det ekstreme ultraviolette (XUV) spektrum. Ingen forskergruppe har tidligere haft succes med at generere attosekundpulser med den nødvendige fotontæthed i dette spektrale område.

Den teknologi, der nu har gjort denne bedrift mulig, er baseret på opskalering af konventionelle kilder til attosekundpulser. Et team ledet af Prof. Disse pulser, på tur, tillade generering af isolerede attosekundpulser af XUV -lys, der indeholder 100 gange flere fotoner som i konventionelle attosekundskilder.

I en første række eksperimenter, højenergiattosekundpulserne var fokuseret på en strøm af xenongas. Fotoner, der tilfældigvis interagerer med en indre skal af et xenonatom, skubber elektroner ud af skallen og ioniserer atomet. Ved at bruge det, der er kendt som et ionmikroskop til at detektere disse ioner, forskerne var i stand til, for første gang, at observere interaktionen mellem to fotoner begrænset i en attosekundspuls med elektroner i de indre orbitalskaller i et atom. I tidligere attosecond -eksperimenter, det har kun været muligt at observere interaktionen mellem indre skalelektroner med en enkelt XUV -foton.

"Eksperimenter, hvor det er muligt at have indre skalelektroner, der interagerer med to XUV -attosekundpulser, omtales ofte som attosekundfysikkens hellige gral. Med to XUV -pulser, vi ville være i stand til at 'filme' elektronbevægelsen i de indre atomskaller uden at forstyrre deres dynamik, "siger Dr. Boris Bergues, leder af det nye studie. Dette repræsenterer et betydeligt fremskridt på attosekund -eksperimenter, der involverer excitation med en enkelt attosekund XUV -foton. I disse forsøg, den resulterende tilstand blev 'fotograferet' med en længere infrarød puls, som selv havde en betydelig indflydelse på den efterfølgende elektronbevægelse.

"Elektronens dynamik i atomernes indre skaller er af særlig interesse, fordi de skyldes et komplekst samspil mellem mange elektroner, der interagerer med hinanden, "som Bergues forklarer." Den detaljerede dynamik som følge af disse interaktioner rejser mange spørgsmål, som vi nu kan eksperimentelt adressere ved hjælp af vores nye attosekundskilde. "

I det næste trin, fysikerne planlægger et eksperiment, hvor de vil løse interaktionen i tid ved at opdele højintensitetsattosekundpulsen i separate pumpe- og sondepulser.

Den vellykkede anvendelse af ikke-lineær optik i det attosekundede domæne til at undersøge elektroners adfærd i atomernes indre orbitalskaller åbner døren til en ny forståelse af subatomære partiklers komplekse multikropsdynamik. Evnen til at filme elektroners bevægelse dybt inde i atomernes indre lover at afsløre meget om et mystisk rige, der er forblevet skjult.