En metronom for kvantepartikler

En ny måleprotokol, udviklet på TU Wien (Wien), gør det muligt at måle kvantefasen af ​​elektroner - et vigtigt skridt for attosekundfysikken.

Det er som et mikroskop for tiden:Dagens metoder til attosekundfysik giver os mulighed for at måle ekstremt korte tidsintervaller. Ved hjælp af korte laserpulser, fysiske processer kan undersøges på en tidsskala på attosekunder - det vil sige milliarder af en milliarddel af et sekund.

For eksempel, det er muligt at studere, hvordan et enkelt atom ioniseres, og hvordan en elektron forlader atomet. Elektronen opfører sig ikke bare som en punktlignende partikel, men dens kvantefysiske bølgeegenskaber spiller en vigtig rolle:Elektronen er faktisk en elektronbølge, der oscillerer på en ekstremt kort tidsskala-og på en lille længdeskala. Det er en kæmpe udfordring at måle cyklusvarigheden af ​​en sådan svingning, men det er endnu meget vanskeligere at bestemme dens fase:Hvad er det præcist for det elektron, der svinger elektronen? Hvis en elektron kan ioniseres på to forskellige måder, vil begge elektronbølger svinge i perfekt harmoni, eller vil der være en lille tidsforsinkelse (dvs. et faseskift)? Et team fra TU Wien (Wien) og CREOL College ved University of Central Florida har nu teoretisk designet en protokol, der gør det muligt at måle fasen af ​​sådanne elektronbølger. Dette muliggør en ny, bedre overblik over vigtige fænomener, der bruges i fotosensorer eller fotovoltaik.

Er elektronerne ude af synkronisering?

"Enhver bølge består af bølgetoppe og bølgetrug - og fasen af ​​bølgen fortæller os, på hvilke punkter i rummet og tiden de er placeret, "siger Stefan Donsa, der udviklede den nye målemetode, arbejder på sin afhandling i forskergruppen hos Prof. Joachim Burgdörfer (Institut for Teoretisk Fysik, TU Wien). "Hvis to kvantebølger overlapper hinanden på en sådan måde, at hver bølgetop i en bølge møder en bølgetop for den anden bølge, så tilføjer de. Men hvis du skifter en af ​​bølgerne lidt, så bølgetoppen i den ene bølge er overlejret med bølgetruget i den anden bølge, de kan også annullere. "Derfor, faseskift spiller en meget vigtig rolle i kvantefysikken.

Det svarer til at finde den rigtige rytme i musikken:det er ikke nok for to musikere at spille i samme tempo. Deres beats skal også falde sammen præcis i tide, uden noget faseskift imellem. Til dette skal du bruge et referenceur, såsom en leder eller en metronom. Den nyudviklede kvantemåleprotokol bruger noget lignende:den ene atomproces tjener som reference for den anden.

En eller to fotoner

"I computersimuleringer, vi har undersøgt heliumatomer, som ioniseres af laserpulser ved forskellige energier, "siger Iva Brezinova." Heliumatomet kan absorbere en foton fra laserpulsen og udsende en elektron. Denne elektron har derefter en bestemt fase, hvilket er ekstremt svært at måle. "

Tricket med den nyudviklede metode er at tilføje en anden kvanteeffekt som et ur - der tjener som en kvantemetronom, så at sige. I stedet for kun at absorbere en foton, atomet kan også absorbere to fotoner på én gang, under visse betingelser. Denne dobbelte absorption fører til det samme slutresultat - en elektron, der flyver væk med meget specifik energi. Men denne gang har denne elektron en anden fase, og denne forskel kan måles.

Komplicerede måleprotokoller

I attosekundfysik er det ikke muligt blot at lave en film af et kvantefysisk system med et kamera. I stedet, komplicerede eksperimentelle protokoller skal bruges. Forskellige sådanne protokoller er i øjeblikket i brug, men ingen af ​​dem har hidtil tilladt direkte måling af elektronfasen.

Den nye protokol, som nu er blevet udviklet af holdene fra Wien og Florida, skulle gøre dette muligt. "Vores nye måleprotokol giver os mulighed for at oversætte informationen om elektronfasen til dens rumlige fordeling ved at kombinere helt særlige laserpulser, "forklarer Stefan Donsa." Ved at bruge den korrekte type laserpulser, faseinformation kan fås direkte fra elektronernes vinkelfordeling. "

Den ny foreslåede eksperimentelle protokol er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Nu, det er op til eksperiment at teste grænserne for denne metode, for at se, hvilke kvantemekaniske oplysninger der kan opnås i praksis ved hjælp af den nye protokol.