For første gang, forskere placerer en elektron i en dobbelt tilstand - hverken frigivet eller bundet

Atomer består af elektroner, der bevæger sig omkring en central kerne, som de er bundet til. Elektronerne kan også rives væk via det kraftfulde elektriske felt i en laser, overvinde den begrænsende kraft i deres kerne. For et halvt århundrede siden, teoretikeren Walter Henneberger spekulerede på, om det var muligt at bruge et laserfelt til at frigøre en elektron fra dens atom uden at fjerne den fra kernen. Mange forskere anså det for at være umuligt. Imidlertid, det er nu med succes blevet bekræftet af fysikere fra universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, og Max Born Institute (MBI) i Berlin, Tyskland.

For første gang, forskere kontrollerede laserpulsens form for at holde en elektron både fri og bundet til dens kerne, og var samtidig i stand til at regulere atomets elektroniske struktur. Hvad mere er, de fik også disse usædvanlige tilstande til at forstærke laserlys og identificerede et no-go-område. I dette område, tilnavnet "Death Valley, "fysikerne mistede al deres magt over elektronen. Disse resultater knuser de sædvanlige begreber relateret til ionisering af stof. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik .

Hennebergers hypotese foreslog, at hvis en elektron blev fanget i laseren, den ville blive tvunget til at passere frem og tilbage foran sin kerne, og ville således blive udsat for det elektriske felt for både laseren og kernen. Denne dobbelte tilstand ville gøre det muligt at kontrollere bevægelsen af ​​elektroner udsat for begge elektriske felter, og ville lade fysikerne skabe atomer med en ny elektronisk struktur, der kan afstemmes med lys.

Udnytter elektronens naturlige svingninger

Jo mere intens en laser er, jo lettere skulle det være at ionisere atomet - med andre ord, at rive elektronerne væk fra det tiltrækkende elektriske felt i deres kerne og frigøre dem i rummet. "Men når atomet er ioniseret, elektronerne forlader ikke bare deres atom som et tog forlader en station - de føler stadig laserens elektriske felt, "forklarer Jean-Pierre Wolf, en professor ved den anvendte fysikafdeling ved UNIGE Det Videnskabelige Fakultet. "Vi ville derfor vide, om, efter at elektronerne er frigjort fra deres atomer, det er stadig muligt at fange dem i laseren og tvinge dem til at blive i nærheden af ​​kernen, som hypotesen om Walter Henneberger antyder, "tilføjer han.

Den eneste måde at gøre dette på er at finde den rigtige form for laserpulsen for at pålægge elektroner svingninger, der er nøjagtigt identiske, så dens energi og tilstand forbliver stabil. "Elektronen svinger naturligt inden for laserområdet, men hvis laserintensiteten ændres, disse svingninger ændrer sig også, og dette tvinger elektronen til at ændre sit energiniveau og dermed dets tilstand, selv forlader atomet. Det er det, der gør det så svært at se sådanne usædvanlige stater, "tilføjer Misha Ivanov, en professor ved den teoretiske afdeling af MBI i Berlin.

Fysikerne testede forskellige laserintensiteter, så elektronen frigivet fra atomet ville have konstante svingninger. De gjorde en overraskende opdagelse. "I modsætning til naturlige forventninger, der tyder på, at jo mere intens en laser er, jo lettere det frigør elektronen, vi opdagede, at der er en grænse for intensiteten, hvor vi ikke længere kan ionisere atomet, "observerer Misha Ivanov." Ud over denne tærskel, vi kan styre elektronen igen. "Forskerne kaldte denne grænse" Death Valley, "efter forslag fra professor Joe Eberly fra University of Rochester.

Bekræftelse af en gammel hypotese om at revolutionere fysikkteorien

Ved at placere elektronen i en dobbelt tilstand, der hverken er fri eller bundet, forskerne fandt en måde at manipulere disse svingninger, som de kunne lide. Dette gør dem i stand til at arbejde direkte på atomets elektroniske struktur. Efter flere justeringer, fysikerne var i stand til at frigøre elektronen fra dens kerne og derefter fange den i laserens elektriske felt, som Walter Henneberger foreslog. "Ved at anvende en intensitet på 100 billioner watt pr. Cm ² , vi var i stand til at gå ud over Death Valley -tærsklen og fange elektronen nær sit forælderatom i en cyklus med regelmæssige svingninger inden for laserens elektriske felt, "Siger Jean-Pierre Wolf. Som en sammenligning, solens intensitet på Jorden er cirka 100 watt pr. m ² .

"Dette giver os mulighed for at skabe nye atomer klædt af laserens felt, med nye elektronenerginiveauer, "forklarer Jean-Pierre Wolf." Vi troede tidligere, at denne dobbeltstat var umulig at skabe, og vi har lige bevist det modsatte. I øvrigt, vi opdagede, at elektroner placeret i sådanne tilstande kan forstærke lys. Dette vil spille en grundlæggende rolle i teorier og forudsigelser om spredning af intense lasere i gasser, såsom luft, "slutter han.