En laserpuls träffar en heliumatom. En av elektronerna slits ut ur atomen, den andra elektronen kan ändra sitt kvanttillstånd. Upphovsman:TU Wien
När ett kvantsystem ändrar tillstånd, detta kallas ett kvanthopp. Vanligtvis, dessa kvanthopp anses vara momentana. Nu, nya metoder för högprecisionsmätningar gör att vi kan studera tidsutvecklingen för dessa kvanthopp. På en tidsskala med attosekunder, deras tidsstruktur blir synlig. Det är den mest exakta tidsmätningen av kvanthopp hittills.
Kvantpartiklar kan snabbt ändra sitt tillstånd - detta kallas ett "kvanthopp". En atom, till exempel, kan absorbera en foton, och förändras därmed till ett tillstånd av högre energi. Vanligtvis, dessa processer tros ske omedelbart, från det ena ögonblicket till det andra. Dock, med nya metoder, utvecklad vid TU Wien (Wien), det är nu möjligt att studera tidsstrukturen för sådana extremt snabba tillståndsförändringar. Ungefär som ett elektronmikroskop tillåter oss att titta på små strukturer som är för små för att ses med blotta ögat, ultrakorte laserpulser tillåter oss att analysera tidsstrukturer som tidigare var otillgängliga.
Den teoretiska delen av projektet gjordes av prof. Joachim Burgdörfers team vid TU Wien (Wien), som också utvecklade den första idén för experimentet. Experimentet utfördes vid Max-Planck-institutet för kvantoptik i Garching (Tyskland). Resultaten har nu publicerats i tidningen Naturfysik .
Den mest exakta tidsmätningen av kvanthopp
En neutral heliumatom har två elektroner. När den träffas av en laser med hög energi, den kan joniseras:en av elektronerna slits ur atomen och avgår från den. Denna process sker på en tidsskala för attosekunder - en attosekund är en miljarddel av en miljarddel av en sekund.
"Man kan tänka sig att den andra elektronen, som stannar kvar i atomen, spelar egentligen ingen viktig roll i denna process - men det är inte sant ", säger Renate Pazourek (TU Wien). De två elektronerna är korrelerade, de är nära förbundna med kvantfysikens lagar, de kan inte ses som oberoende partiklar. "När en elektron tas bort från atomen, en del av laserenergin kan överföras till den andra elektronen. Det finns kvar i atomen, men det lyfts upp till ett tillstånd av högre energi ", säger Stefan Nagele (TU Wien).
När en foton har tagit bort en elektron från en heliumatom, det är möjligt att beräkna den troliga positionen för den återstående elektronen. Elektronens sannolikaste position visas på bilden som det ljusaste området runt atomkärnan (som i sig inte syns i bilden) Kredit:M. Ossiander (TUM) / M. Schultz (MPQ)
Därför, det är möjligt att skilja mellan två olika joniseringsprocesser:en, där den återstående elektronen får ytterligare energi och en, där den förblir i ett tillstånd av minimal energi. Med hjälp av en sofistikerad experimentell installation, det var möjligt att visa att varaktigheten av dessa två processer inte är exakt densamma.
"När den återstående elektronen hoppar till ett upphetsat tillstånd, fotojoniseringsprocessen är något snabbare - med cirka fem attosekunder ", säger Stefan Nagele. Det är anmärkningsvärt hur väl de experimentella resultaten överensstämmer med teoretiska beräkningar och storskaliga datasimuleringar som utförts vid Wien Scientific Cluster, Österrikes största superdator:"Experimentets precision är bättre än en attosekund. Detta är den mest exakta tidsmätningen av ett kvanthopp hittills", säger Renate Pazourek.
Kontrollera Attoseconds
Experimentet ger ny inblick i fysiken i ultrakorte tidsskalor. Effekter, som för några decennier sedan fortfarande betraktades som "omedelbar" kan nu ses som tidsmässig utveckling som kan beräknas, uppmätt och till och med kontrollerat. Detta hjälper inte bara att förstå de grundläggande naturlagarna, det ger också nya möjligheter att manipulera materia i kvantskala.
