Røntgen dobbeltblink kontrollerer atomkerner

Et team af forskere fra Max Planck Instituttet for Kernefysik i Heidelberg har for første gang styret nukleare excitationer ved hjælp af passende formet røntgenlys. I eksperimentet udført på European Synchrotron ESRF, de opnåede en tidsmæssig kontrolstabilitet på nogle få zeptosekunder. Dette danner grundlaget for nye eksperimentelle tilgange, der udnytter kontrollen af ​​nuklear dynamik, som kan føre til mere præcise fremtidige tidsstandarder og åbne nye muligheder på vejen til atombatterier.

Moderne eksperimenter med kvantedynamik kan i høj grad styre elektronernes kvanteprocesser i atomer ved hjælp af laserfelter. Imidlertid, atomkernernes indre liv spiller normalt ingen rolle, fordi deres karakteristiske energi, tids- og længdeskalaerne er så ekstreme, at de praktisk talt er upåvirkede af laserfelterne. Friske tilgange puster nyt liv i kernefysikken ved at udnytte denne ufølsomhed over for ydre forstyrrelser og bruge atomkernernes ekstreme skalaer til særligt præcise målinger. Dermed, Atomkerner kan reagere på røntgenstråler med en ekstremt veldefineret energi ved at ophidse individuelle nukleoner - svarende til elektroner i atomskallen. Disse overgange kan bruges som urværker til præcise nukleare ure, og dette kræver måling af nukleare egenskaber med den højeste præcision.

Et team af forskere omkring fysikere fra Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg er nu gået et skridt fremad ved ikke kun at måle kvantedynamikken i atomkerner, men også at kontrollere dem ved hjælp af passende formede røntgenimpulser med tidligere uopnået tidsmæssig stabilitet på nogle få zeptosekunder - en faktor 100 bedre end noget tidligere opnået. Dette åbner værktøjskassen med sammenhængende kontrol, som er blevet etableret med succes inden for optisk spektroskopi, til atomkerner - hvilket giver helt nye muligheder og perspektiver.

Såkaldt kohærent kontrol bruger stofs bølgeegenskaber til at styre kvanteprocesser via elektromagnetiske felter, f.eks. laserpulser. Ud over frekvensen eller bølgelængden, hvert bølgefænomen er kendetegnet ved amplituden (bølgehøjden) og fasen (temporal position af bølgetoppe og dale). En simpel analogi er styringen af ​​et oscillerende sving ved periodisk, bølgelignende skub. For det, den nøjagtige timing (fase) af skubningen i forhold til svingbevægelsen skal kontrolleres. Hvis den modkørende gynge skubbes, den bremses. Hvis, på den anden side, den bevæger sig væk, dens afbøjning øges ved tryk.

Analogt, stoffets kvantemekaniske egenskaber kan styres via tilsvarende præcis styring af de påførte laserfelter. I de seneste årtier, der har været store fremskridt og succes i den sammenhængende kontrol af atomer og molekyler, med en tidsmæssig præcision af lys ned til attosekundområdet, milliarddelen af ​​milliarddelen af ​​et sekund, som svarer til den naturlige tidsskala for elektroner i atomer. Vigtige forskningsmål med mulige fremtidige anvendelser er, for eksempel, kontrol med kemiske reaktioner eller udvikling af nye, mere præcise tidsstandarder.

I de seneste år, tilgængeligheden af ​​nye strålingskilder til røntgenstråler med laserkvalitet (synkrotronstråling og frielektronlasere) har åbnet et nyt felt:nuklear kvanteoptik. Fysikere fra afdelingerne for Christoph Keitel og Thomas Pfeifer ved Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) i Heidelberg er nu for første gang lykkedes med at demonstrere sammenhængende kontrol af nukleare excitationer ved hjælp af røntgenstråler ved European Synchrotron ESRF (Grenoble, Frankrig) i samarbejde med forskere fra DESY (Hamburg) og Helmholtz Institute/Friedrich Schiller University (Jena). En stabilitet af den sammenhængende kontrol på nogle få zeptosekunder (en tusindedel af et attosekund) blev opnået.

I forsøget forskerne omkring projektleder Jörg Evers (MPIK) brugte to prøver beriget med jernisotopen 57Fe, som bestråles med korte røntgenimpulser fra synkrotronen (fig. 1). I den første prøve, de genererede en kontrollerbar dobbelt røntgenpuls, som derefter blev brugt til at kontrollere dynamikken af ​​kernerne i den anden prøve. De undersøgte nukleare excitationer - som de-exciterer igen ved røntgenstråling - er karakteriseret ved en meget høj skarphed i energien:såkaldte Mössbauer-overgange. Opdagelsen af ​​den underliggende effekt (Nobelprisen 1961) blev gjort af Rudolf Mössbauer i 1958 ved MPI for Medicinsk Forskning, hvorfra MPIK udsprang samme år.

For at generere den dobbelte puls, kernerne i den første prøve exciteres af den korte røntgenpuls og, på grund af den høje energiskarphed, frigive denne excitation forholdsvis langsomt i form af en anden røntgenimpuls. I forsøget prøven forskydes hurtigt mellem excitationen og de-excitationen med en lille afstand svarende til ca. halvdelen af ​​røntgenbølgelængden. Dette ændrer flyvetiden for den anden puls til den anden prøve, og dermed forskyder positionen af ​​bølgerne af de to røntgenimpulser (relativ fase) i forhold til hinanden.

Denne dobbelte puls gør det nu muligt at kontrollere kernerne i den anden prøve. Den første impuls exciterer en kvantemekanisk dynamik i kernen, analogt med det oscillerende sving. Den anden puls ændrer denne dynamik, afhængig af den relative fase af de to røntgenimpulser. For eksempel, hvis bølgen af ​​den anden impuls rammer den anden prøve i fase med kernedynamikken, kernerne exciteres yderligere. Ved at variere den relative fase, forskerne var i stand til at skifte mellem yderligere excitation af kernerne og de-excitation af kernerne, og dermed styre kernernes kvantemekaniske tilstand. Dette kan rekonstrueres ud fra de målte interferensstrukturer af røntgenstrålingen bag den anden prøve (fig. 2).

En akustisk analogi er illustreret i fig. 3:Her, prøvernes Mössbauer-kerner svarer til stemmegafler, der ophidses af et kort brag ("startskud, " analogt med synkrotronimpulsen) og til gengæld lyden let dæmpet med deres præcist definerede frekvens. Lyden fra den første gaffel rammer således den anden gaffel efter braget som en ekstra excitation. I tilfælde (a), denne lydbølge bevæger sig modsat den anden gaffel, så dens oscillation de-exciteres. I tilfælde (b), den første gaffel forskydes hurtigt, så dens lyd matcher den anden gaffels bevægelse i stedet og dermed ophidser den mere.

I betragtning af de ekstreme krav, der kræves for at kontrollere atomkerner (forskydningen af ​​den første prøve med en halv bølgelængde er af størrelsesordenen en atomradius), den tilsyneladende lille indflydelse af eksterne forstyrrelser på kvaliteten af ​​eksperimentet er overraskende. Alligevel, dette virker - på grund af den korte varighed af en målesekvens, hvor de vigtigste forstyrrende bevægelser nærmest er fastfrosset. Denne stabilitet er en forudsætning for fremtidige nye applikationer baseret på nukleare overgange:mere præcise tidsstandarder, undersøgelse af variationen af ​​fundamentale konstanter eller søgen efter ny fysik ud over de accepterede modeller.

Inden for atomdynamik, vidtrækkende kontrol er nøglen til mange applikationer. De muligheder, der er demonstreret her, åbner døren til nye eksperimentelle tilgange baseret på kontrol af nuklear dynamik, f.eks. ved at forberede kerner i særlige kvantetilstande, hvilket muliggør mere præcise målinger. I det omfang fremtidige røntgenkilder vil muliggøre stærkere excitation af kernerne, atombatterier, der kan lagre og frigive store mængder energi i interne excitationer af kernerne uden nuklear fission eller fusion ville også være tænkelige.