Ultrahurtig intra-atom bevægelse sporet ved hjælp af synkrotronstråling

Forskere i Japan har observeret og interfereret med den ultrahurtige bevægelse af elektronbevægelse inde i et Xenon-atom ved hjælp af de sammenhængende par af korte lysbølger i synkrotronstråling. Xenon, bestående af en kerne omgivet af fem indlejrede skaller indeholdende i alt 54 elektroner, bruges i blitzlamper, og det brænder lyst og hurtigt. De selvlysende elektroner bevæger sig der på en tidsskala på en milliardtedel af et sekund. Den hurtige elektronbevægelse er dog seks størrelsesordener langsommere end den, forskerne observerede. Ved at bruge synkrotronanlægget ved Institut for Molekylær Videnskab, de sporede elektronbevægelsen i afslapning for at kaste energi ved at falde fra en ydre skal til en indre skal. Processen sker på en tidsskala på femtosekunder, eller en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. Et femtosekund er til et sekund, som et sekund er til næsten 32 millioner år. Evnen til at observere og kontrollere sådanne ultrahurtige processer kunne åbne døren til næste generations eksperimenter og applikationer, ifølge forskerne.

Resultaterne blev offentliggjort den 17. marts i Fysisk gennemgangsbreve .

"At kontrollere og undersøge den elektroniske bevægelse i atomer og molekyler på deres naturlige tidsskala af attosekunder - som er en tusindedel af et femtosekund - er en af ​​grænserne inden for atomfysik og attosekundsfysik, " sagde papirforfatter Tatsuo Kaneyasu, forsker ved SAGA Light Source, Kyushu Synchrotron Light Research Center i Japan. "I dette studie, vi demonstrerede, at ultrakorte processer i atomer og molekyler kan spores ved hjælp af ultrakorte egenskaber af strålingsbølgepakken."

Nylige fremskridt inden for laserteknologi gør det muligt for os at producere ultrahurtige, eller ultrakort, dobbelte lysimpulser, der kan interagere med subatomære processer. Denne interferens kan kontrolleres ved præcist at indstille tiden mellem hver puls. Pulsen exciterer elektroner, hvis bevægelse omtales som en elektronbølgepakke. Kaneyasu og hans team har opnået denne teknologi ved hjælp af synkrotronstråling, som har en stor fordel ved at generere højere energifotoner end dem med lasere.

"Denne metode, kaldet 'bølgepakke-interferometri, "er nu et grundlæggende værktøj til at studere og manipulere materiens kvantedynamik, " sagde Kaneyasu. "I denne undersøgelse, elektronbølgepakken blev produceret ved at overlejre nogle elektroniske tilstande i et xenonatom."

På samme måde som to overlappende stråler, der producerer et mere intenst lys, end de hver især afgiver, to overlappende elektronbølgepakker producerer kvanteeffekter.

"Det ultimative mål er at kontrollere og sondere den ultrahurtige elektroniske bevægelse af en lang række elementer, ikke kun i gasfase atomer og molekyler, men også i de kondenserede stoffer, " sagde Kaneyasu. "Denne nye evne til synkrotronstråling hjælper ikke kun videnskabsmænd med at studere ultrahurtige fænomener i atomare og molekylære processer, men kan også åbne op for nye applikationer i udviklingen af ​​funktionelle materialer og elektroniske enheder i fremtiden."