Forskere foreslår en ny måde at generere en lyskilde lavet af sammenfiltrede fotoner

Entanglement er et mærkeligt fænomen i kvantefysikken, hvor to partikler i sagens natur er forbundet med hinanden, uanset afstanden mellem dem. Når den ene måles, er den anden måling øjeblikkeligt givet. Forskere fra Purdue University har foreslået en ny, ukonventionel tilgang til at generere en speciel lyskilde, der består af sammenfiltrede fotoner. Den 6. september 2022 offentliggjorde de deres resultater i Physical Review Research .

Holdet foreslog en metode til at generere sammenfiltrede fotoner ved ekstreme ultraviolette (XUV) bølgelængder, hvor der ikke findes en sådan kilde i øjeblikket. Deres arbejde giver et køreplan for, hvordan man genererer disse sammenfiltrede fotoner og bruger dem til at spore elektronernes dynamik i molekyler og materialer på de utrolig korte tidsskalaer af attosekunder.

"De sammenfiltrede fotoner i vores arbejde ankommer med garanti til et givet sted inden for en meget kort varighed af attosekunder, så længe de rejser den samme afstand," siger Dr. Niranjan Shivaram, assisterende professor i fysik og astronomi. "Denne korrelation i deres ankomsttid gør dem meget nyttige til at måle ultrahurtige hændelser. En vigtig applikation er i attosecond metrologi for at skubbe grænserne for måling af de korteste tidsskalafænomener. Denne kilde til sammenfiltrede fotoner kan også bruges i kvantebilleddannelse og spektroskopi , hvor sammenfiltrede fotoner har vist sig at forbedre evnen til at få information, men nu ved XUV og endda røntgenbølgelængder."

Forfatterne til publikationen, med titlen "Attosecond entangled photons from two-photon decay of metastabile atoms:A source for attosecond experiments and beyond," er alle fra Purdue University Department of Physics and Astronomy og arbejder med Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). De er Dr. Yimeng Wang, nyuddannet fra Purdue University; Siddhant Pandey, Ph.D. kandidat inden for eksperimentel ultrahurtig spektroskopi; Dr. Chris H. Greene, Albert Overhauser Fremragende professor i fysik og astronomi; og Dr. Shivaram.

"Afdelingen for Fysik og Astronomi i Purdue har et stærkt atom-, molekylær- og optisk (AMO) fysikprogram, som samler eksperter inden for forskellige underområder af AMO," siger Shivaram. "Chris Greenes ekspertviden om teoretisk atomfysik kombineret med Niranjans baggrund inden for det relativt unge felt af eksperimentel attosekundvidenskab førte til dette samarbejdsprojekt. Mens mange universiteter har AMO-programmer, er Purdues AMO-program unikt forskelligartet, idet det har eksperter inden for flere underområder af bl.a. AMO videnskab."

Hver forsker spillede en væsentlig rolle i denne igangværende forskning. Greene foreslog oprindeligt ideen om at bruge fotoner udsendt af heliumatomer som en kilde til sammenfiltrede fotoner, og Shivaram foreslog anvendelser til atosekundvidenskab og foreslog eksperimentelle skemaer. Wang og Greene udviklede derefter den teoretiske ramme til at beregne sammenfiltrede fotonemissioner fra heliumatomer, mens Pandey og Shivaram lavede estimater af sammenfiltrede fotonemissions-/absorptionshastigheder og udarbejdede detaljerne i de foreslåede attosekundseksperimentelle skemaer.

Publikationen markerer begyndelsen på denne forskning for Shivaram og Greene. I denne publikation foreslår forfatterne ideen og udarbejder de teoretiske aspekter af eksperimentet. Shivaram og Greene planlægger at fortsætte med at samarbejde om eksperimentelle og yderligere teoretiske ideer. Shivarams laboratorium, Ultrafast Quantum Dynamics Group, er i øjeblikket ved at bygge et apparat til eksperimentelt at demonstrere nogle af disse ideer. Ifølge Shivaram er håbet, at andre forskere inden for attosecond-videnskab vil begynde at arbejde på disse ideer. En fælles indsats fra mange forskergrupper kan yderligere øge virkningen af ​​dette arbejde. Til sidst håber de at få tidsskalaen for sammenfiltrede fotoner ned til zeptosekundet, 10 ^-21 sekunder.

"Typisk udføres eksperimenter på attosekunder-tidsskalaer ved at bruge attosekunder-laserimpulser som 'strobes' for at 'afbilde' elektronerne. Strømgrænser for disse impulser er omkring 40 attosekunder. Vores foreslåede idé om at bruge sammenfiltrede fotoner kunne skubbe dette ned til nogle få attosekunder eller zeptosekunder," siger Shivaram.

For at forstå timingen skal man forstå, at elektroner spiller en grundlæggende rolle i at bestemme adfærden af ​​atomer, molekyler og faste materialer. Tidsskalaen for elektronernes bevægelse er typisk i femtosekundet (en milliontedel af en milliardtedel af et sekund—10 ^-15 sekunder) og attosekund (en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund, eller 10 ^-18 sekunder) skala. Ifølge Shivaram er det vigtigt at få indsigt i elektronernes dynamik og spore deres bevægelse på disse ultrakorte tidsskalaer.

"Målet med området for ultrahurtig videnskab er at lave sådanne 'film' af elektroner og derefter bruge lys til at kontrollere disse elektroners opførsel til at konstruere kemiske reaktioner, lave materialer med nye egenskaber, lave anordninger i molekylær skala osv. han siger. "Dette er lys-stof-interaktion på dets mest basale niveau, og mulighederne for opdagelse er mange. Et enkelt zeptosesekund er 10 ^-21 sekunder. Tusind zeptosekunder er et attosekund. Forskere begynder først nu at udforske zeptosekund-fænomener, selvom det eksperimentelt er uden for rækkevidde på grund af mangel på zeptosekund-laserimpulser. Vores unikke tilgang til at bruge sammenfiltrede fotoner i stedet for fotoner i laserimpulser kunne give os mulighed for at nå zeptosekund-regimet. Dette vil kræve en betydelig eksperimentel indsats og er sandsynligvis muligt på en tidsskala på fem år." + Udforsk yderligere

Attosecond-røntgenfrie elektronlasere med høj lysstyrke baseret på bølgefrontkontrol