Forskare har-för bara en bråkdel av en sekund-skymtat en elektronisk syn på världen. Det är, de har lyckats för första gången att spåra en elektron som lämnar närheten av en atom när atomen absorberar ljus. På ett sätt som liknar att ta "ögonblicksbilder" av processen, de kunde följa hur varje elektrones unika momentum förändrades under den otroligt korta tid det tog att fly sin värdatom och bli en fri elektron.
I journalen Naturfysik , forskarna skriver att att följa elektroner i så fina detaljer utgör ett första steg mot att kontrollera elektroners beteende inuti materia - och därmed det första steget på en lång och komplicerad väg som så småningom kan leda till förmågan att skapa nya tillstånd av materia efter behag.
En omedelbar konsekvens är att forskare nu kan klassificera det kvantmekaniska beteendet hos elektroner från olika atomer, förklarade projektledaren Louis DiMauro, Hagenlocker ordförande och professor i fysik vid Ohio State University.
"Nu kan vi titta på en elektron och dechiffrera dess tidiga historia. Vi kan fråga hur är det annorlunda om det kom från en heliumatom eller en neonatom, till exempel, " han sa.
Men forskarnas yttersta mål är att kartlägga kvantmekaniska system-som gäller för den ultralåga världen-i mycket större skala så att de så småningom kan styra subatomära partiklers rörelser inuti en molekyl.
"Om du tänker på varje ögonblicksbild som vi tar som en bildruta i en film, kanske en dag kan vi stoppa filmen vid en viss bildruta och ändra vad som händer sedan - säg, genom att peta en elektron med ljus och ändra dess riktning. Det skulle vara som att gå in i en kemisk reaktion och få reaktionen att ske på ett annat sätt än det skulle naturligt, "Sa DiMauro.
Väsentligen, han och fysikdoktoranden Dietrich Kiesewetter och deras kollegor har bevisat att en väletablerad laboratorieteknik för att studera fria elektroner kan användas för att studera elektroner som inte är helt fria än, utan snarare i färd med att lämna en atom.
Elektroner beter sig annorlunda när de kan känna dragning av subatomära krafter från en kärna och grannelektroner, och ju längre bort de kommer från en atom, dessa krafter minskar. Även om det tar mindre än en femtosekund (en kvadriljondel av en sekund) denna studie visar hur en elektronns momentum förändras många gånger på vägen när den tappar kontakten med enskilda delar av atomen. Dessa förändringar sker på skalan av attosekunder (tusendelar av en femtosekund, eller femtiondelar av en sekund).
Tekniken som forskarna använde kallas RABBITT, eller rekonstruktion av attosekundslagning genom att störa tvåfotonövergångar, och det handlar om att slå atomerna i en gas med ljus för att avslöja kvantmekanisk information. Det har funnits i nästan 15 år, och har blivit ett standardförfarande för att studera processer som sker på mycket korta tidsskalor.
Inte all kvantmekanisk information som kommer från RABBITT är användbar, dock - eller åtminstone, inte allt var tänkt att vara användbart förrän nu. Det är därför de har dubbat sin version av tekniken RABBITT+.
"Vi använder den information som andra människor skulle slänga, den del som kommer från nära atomkärnan, eftersom data alltid verkade för komplexa för att dechiffrera, "DiMauro sa." Vi utvecklade en modell som visar att vi kan extrahera lite enkel men viktig information från den mer komplexa informationen. "
DiMauro krediterade Robert Jones, Francis H. Smith professor i fysik vid University of Virginia, med att ta fram nyckelelement i modellen som gjorde informationen användbar. Andra medförfattare till tidningen inkluderar Pierre Agostini, professor i fysik vid Ohio State, och tidigare doktorander Stephen Schoun och Antoine Camper, som sedan har tagit examen.
