I dubbelspaltsexperimentet, en partikel färdas på två olika vägar samtidigt. Något liknande kan observeras när en heliumatom joniseras med en laserstråle. Joniseringen av helium kan ske via två olika processer, och detta leder till karakteristiska störningseffekter. Ett team av forskare har nu lyckats observera uppbyggnaden av dessa effekter - även om denna effekt sker på en femtosekunds tidsskala.

Det är definitivt det mest kända experimentet inom kvantfysik:i dubbelspaltsexperimentet, en partikel avfyras på en platta med två parallella slitsar, så det finns två olika vägar på vilka partikeln kan nå detektorn på andra sidan. På grund av dess kvantegenskaper, partikeln behöver inte välja mellan dessa två möjligheter, den kan passera genom båda slitsarna samtidigt. Något ganska liknande kan observeras när en heliumatom joniseras med en laserstråle.

Precis som de två vägarna genom plattan, joniseringen av helium kan ske via två olika processer samtidigt, och detta leder till karakteristiska störningseffekter. När det gäller heliumatomen, de kallas "Fano -resonanser". Ett team av forskare från TU Wien (Wien, Österrike), Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg (Tyskland) och Kansas State University (USA) har nu lyckats observera uppbyggnaden av dessa Fano-resonanser – även om denna effekt äger rum på en tidsskala av femtosekunder.

Experimentet utfördes i Heidelberg, det ursprungliga förslaget för ett sådant experiment och datasimuleringar utvecklades av teamet från Wien, ytterligare teoretiska beräkningar kom från Kansas State University.

Direkt och indirekt sökväg

När en laserpuls överför tillräckligt med energi till en av elektronerna i heliumatomen, elektronen slits ut ur atomen direkt.

Det finns, dock, ett annat sätt att jonisera heliumatomen, vilket är lite mer komplext, som professor Joachim Burgdörfer (TU Wien) förklarar:"Om lasern till en början lyfter båda elektronerna till ett tillstånd av högre energi, en av elektronerna kan återgå till ett tillstånd av lägre energi. En del av denna elektronens energi överförs till den andra elektronen, som sedan kan lämna heliumatomen. "

Resultatet av dessa två processer är exakt samma - båda gör den neutrala heliumatomen till en jon med en kvarvarande elektron. Ur detta perspektiv, de är i grunden oskiljbara.

Fano -resonanser

"Enligt kvantfysikens lagar, varje atom kan genomgå båda processerna samtidigt ", säger Renate Pazourek (TU Wien). "Och denna kombination av vägar lämnar oss karakteristiska spår som kan upptäckas." Analysera ljuset som absorberas av heliumatomerna, så kallade Fano -resonanser hittas - ett omisskännligt tecken på att det slutliga tillståndet nåddes via två olika vägar.

Detta kan också förebyggas. Under joniseringsprocessen, den indirekta vägen kan effektivt stängas av med en andra laserstråle så att endast den andra vägen förblir öppen och Fano-resonansen försvinner.

Detta öppnar upp en ny möjlighet att studera tidens utveckling av denna process. I början, atomen får följa båda vägarna samtidigt. Efter en tid, den indirekta vägen är blockerad. Beroende på hur länge systemet fick åtkomst till båda vägarna, Fano-resonansen blir mer eller mindre distinkt.

"Fano -resonanser har observerats i en mängd olika fysiska system, de spelar en viktig roll i atomfysiken ", säger Stefan Donsa (TU Wien). "För första gången, det är nu möjligt att styra dessa resonanser och visa exakt, hur de bygger upp sig inom femtosekunder. "" Dessa kvanteffekter är så snabba att på våra vanliga tidsskalor verkar de inträffa omedelbart, från det ena ögonblicket till det andra ", säger Stefan Nagele. "Endast genom att använda nya sofistikerade metoder för attosekundfysik har det blivit möjligt att studera tidens utveckling av dessa processer."

Detta hjälper inte bara kvantforskare att förstå den grundläggande teorin om viktiga kvanteffekter, det öppnar också för nya möjligheter att kontrollera sådana processer – till exempel underlätta eller hämma kemiska reaktioner.

Studien publiceras i dagens Vetenskap .

I samma nummer av Vetenskap tidskrift, ett team av forskare från Frankrike och Spanien har publicerat en annan uppsats, där en kompletterande metod för tidsupplöst fotoelektronspektroskopi används för att få en bild av Fano-resonansen.