Et fuldt optisk attoclock til billedtunneling-bølgepakker

Attoclocks, eller attosecond ure, er instrumenter, der kan måle tidsintervaller på attosecond-skalaen ved at måle den tid, det tager for elektroner at tunnelere ud af atomer. Attosecond-proceduren blev først introduceret af et forskerhold ledet af Ursula Keller i 2008.

Forskere ved Leibniz Universitet Hannover, Max Born Institute og andre institutter i Europa har for nylig udviklet et nyt, helt optisk attoclock. Dette ur, introduceret i et papir offentliggjort i Nature Physics , kunne bruges til at indsamle tidsopløste målinger i kondenseret stof-systemer, hvilket aldrig er blevet opnået hidtil.

"Tunneling er en iboende kvantemekanisk proces, og derfor hinsides vores 'klassiske fantasi'," fortalte Ihar Babushkin, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org . "Tunneldrift af elektroner ud af atomer sker, når vi sætter atomer i et meget stærkt elektrisk felt. Feltet kan gøres så stærkt, at det 'river' elektroner af fra atomer, men elektronerne skal tunnelere gennem en barriere, før de forlader atomet."

Tunnelering, den proces, hvorigennem elektroner forlader atomer, sker meget hurtigt. Nogle fysikere har endda foreslået, at elektroner under tunneling rejser hurtigere end lys og forsøgte at teste denne hypotese ved hjælp af eksisterende attoclock-måleværktøjer.

"Den i øjeblikket hurtigste tid, der kan måles, er omkring et attoseund," forklarede Babushkin. "Et attosekund er 10 ^-18 sekunder, det er relateret til et sekund omtrent som et sekund til universets alder, eller endda mere."

Tidligere studerede de fleste forskere tunneling ved at forsøge at fange elektroner, efter at de forlader atomer. Selvom denne metode førte til nogle interessante resultater, er den ofte meget kompleks og dyr at implementere, mens den heller ikke undersøger tunneling direkte.

I deres papir introducerede Babushkin og hans kolleger en alternativ metode til at studere tunneling direkte, som også er billigere og mere præcis end tidligere teknikker. Denne nye metode ser specifikt på den stråling, der frigives af elektroner under tunnelprocessen og dens efterfølgende dynamik.

"Dette er muligt, fordi uanset hvad der sker med en elektron, udstråler den noget lys," sagde Babushkin. "Vores metode er meget usædvanlig set fra 'normal intuition's synspunkt. Antag, at du forsøger at måle noget meget kort, såsom klappen på en sommerfugls vinger. For at gøre dette skal du bruge et ur, der arbejder hurtigere end klappen. Hvad hvis du i stedet forsøger at bruge et gammelt solur, som kan måle timer, men ikke minutter og definitivt ikke sekunder? Det lyder måske kontraintuitivt, men den periode af lysbølgerne, som vi indhenter for at måle attosekundens tidsskalaer, er en milliard (10 ⁹ ) gange større end attosekundet. Men som vi viste, er dette virkelig muligt!"

I det væsentlige fanger attoclock udviklet af Babushkin og hans kolleger lyset, der udstråler fra elektroner, når de forlader atomer, og måler dets polarisering. For at det kunne fungere som et 'ur', skulle det stærke elektriske felt, der forlader atomet, også kendt som 'driving field', variere i tid og være cirkulært polariseret.

"Hvis lyset er cirkulært polariseret, roterer det elektriske felt med tiden som en viser på et ur," sagde Babushkin. "For at få lys til at udstråle ved den lavest mulige frekvens, var vi nødt til at tage to frekvenskomponenter i drivfeltet. Hermed kan elektronens respons være i terahertz-området (en terahertz svarer til 10 ¹² Hertz, og en Hertz er frekvensmålet svarende til én svingning pr. sekund)."

I deres eksperimenter fandt forskerne ud af, at de ved at måle polariseringen af ​​terahertz-strålingen udsendt af elektronen kunne få adgang til dens dynamik på attosecond-skalaen. Dette var et uventet resultat, da terahertz- og attosecond-tidsskalaerne adskiller sig med ni størrelsesordener.

"Da måling af lyspolarisering er meget mere præcis end måling af elektroner, kan vores optiske attoclock være meget mere præcis end den sædvanlige attoclock-procedure," sagde Babushkin. "Selvom vi i denne artikel lavede en proof-of-principle-præsentation af attoclock, som udtrækker stort set den samme information som den traditionelle, kan vi i fremtiden gå endda ud over et attosekund og måle tider, der allerede er i zeptosekundområdet, noget der var så langt ikke-eksisterende i fysik."

Forskerne har allerede med succes brugt deres attoclock-prototype til at måle noget, der aldrig var blevet opdaget ved hjælp af det traditionelle attoclock, nemlig en lille asymmetri i ioniseringsprocessen. I fremtiden føler de, at det også kunne bruges til at indsamle tidsopløste målinger i systemer, hvor elektroner ikke kan detekteres, såsom faste stoffer.

I øjeblikket kan attoclocks på grund af deres høje fremstillingsomkostninger kun produceres i relativt få laboratorier verden over. Da systemet skabt af Babushkin og hans kolleger blev bygget med langt billigere komponenter end dem, der understøtter andre eksisterende realiseringer af attoclock, kunne det i sidste ende muliggøre indsamling af attoclock-målinger i flere institutter verden over.

"Vores attoclock kunne have mange forskellige applikationer," tilføjede Babushkin. "Vi er særligt interesserede i at forsøge at anvende det i faste stoffer. Dette er en af ​​de retninger, hvor den traditionelle attoclock-procedure slet ikke virker. I øjeblikket er de processer, der ophidses af stærke optiske felter i faste stoffer, på kanten af ​​attosecond-videnskaben og vi tror på, at vores nye værktøj vil hjælpe med at samle en masse interessant information." + Udforsk yderligere

Helt optisk attoclock til billeddannelse af tunneling af bølgepakker

© 2022 Science X Network