Ett nytt mätprotokoll, utvecklad vid TU Wien (Wien), gör det möjligt att mäta elektronernas kvantfas – ett viktigt steg för attosekundens fysik.

Det är som ett mikroskop för tid:Dagens metoder för attosekundsfysik tillåter oss att mäta extremt korta tidsintervall. Med hjälp av korta laserpulser, Fysiska processer kan undersökas på en tidsskala av attosekunder – det vill säga miljarddels miljarddels sekund.

Till exempel, det är möjligt att studera hur en enskild atom joniseras och hur en elektron lämnar atomen. Elektronen beter sig inte bara som en punktliknande partikel, men dess kvantfysikaliska vågegenskaper spelar en viktig roll:elektronen är faktiskt en elektronvåg som svänger på en extremt kort tidsskala – och på en liten längdskala. Det är en stor utmaning att mäta cykellängden för en sådan svängning, men det är ännu mycket svårare att bestämma dess fas:exakt vad är det slag som elektronsvängningen följer? Om en elektron kan joniseras på två olika sätt, kommer båda elektronvågorna att oscillera i perfekt unisont, eller blir det en liten tidsfördröjning (dvs en fasförskjutning)? Ett team från TU Wien (Wien) och CREOL College vid University of Central Florida har nu teoretiskt utformat ett protokoll som tillåter mätning av fasen för sådana elektronvågor. Detta möjliggör en ny, bättre överblick över viktiga fenomen som används i fotosensorer eller solceller.

Är elektronerna osynkroniserade?

"Våg som helst består av vågtoppar och vågdalar - och vågens fas berättar för oss vid vilka punkter i rum och tid de befinner sig, säger Stefan Donsa, som utvecklade den nya mätmetoden, arbetar med sin avhandling i forskargruppen för Prof. Joachim Burgdörfer (Institutet för teoretisk fysik, TU Wien). "Om två kvantvågor överlappar varandra på ett sådant sätt att varje vågtopp i en våg möter en vågtopp i den andra vågen, då lägger de ihop. Men om du förskjuter en av vågorna lite så att vågtoppen på den ena vågen överlagras med den andra vågens vågdal, de kan också avbryta." Därför, fasförskjutningar spelar en mycket viktig roll i kvantfysiken.

Det liknar att hitta rätt rytm i musik:det räcker inte att två musiker spelar i samma tempo. Deras takter måste också sammanfalla exakt i tiden, utan någon fasförskjutning däremellan. För detta behöver du en referensklocka, såsom en ledare eller en metronom. Det nyutvecklade kvantmätningsprotokollet använder något liknande:en atomprocess fungerar som referens för den andra.

En eller två fotoner

"I datorsimuleringar, vi har studerat heliumatomer som joniseras av laserpulser vid olika energier, " säger Iva Brezinova. "Heliumatomen kan absorbera en foton från laserpulsen och avge en elektron. Denna elektron har då en specifik fas, vilket är extremt svårt att mäta."

Tricket med den nyutvecklade metoden är att lägga till en andra kvanteffekt som en klocka – som fungerar som en kvantmetronom, så att säga. Istället för att bara absorbera en foton, atomen kan också absorbera två fotoner samtidigt, under vissa förutsättningar. Denna dubbla absorption leder till samma slutresultat - en elektron som flyger iväg med mycket specifik energi. Men den här gången har den här elektronen en annan fas, och denna skillnad kan mätas.

Komplicerade mätprotokoll

Inom attosecond-fysiken är det inte möjligt att helt enkelt skapa en film av ett kvantfysiskt system med en kamera. Istället, komplicerade experimentella protokoll måste användas. Olika sådana protokoll används för närvarande, men ingen av dem har hittills tillåtit direkt mätning av elektronfasen.

Det nya protokollet, som nu har utvecklats av teamen från Wien och Florida, borde göra detta möjligt. "Vårt nya mätprotokoll tillåter oss att översätta informationen om elektronfasen till dess rumsliga fördelning genom att kombinera mycket speciella laserpulser, " förklarar Stefan Donsa. "Genom att använda rätt typ av laserpulser, fasinformation kan erhållas direkt från elektronernas vinkelfördelning."

Det nyligen föreslagna experimentella protokollet har nu publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev . Nu, det är upp till experiment att testa gränserna för denna metod, för att se vilken kvantmekanisk information som kan erhållas i praktiken med det nya protokollet.