Bild av en molekyl (två sammankopplade gröna sfärer) som bestrålas av starkt fält, förlorar sin elektron, och elektronen under denna process utstrålar ljus som vi sedan detekterar och analyserar. Kredit:Babushkin et al.
Attoklockor, eller attosekundsklockor, är instrument som kan mäta tidsintervall på attosekundskalan genom att mäta tiden det tar för elektroner att tunnla ut ur atomer. Attosecond-proceduren introducerades först av en forskargrupp under ledning av Ursula Keller 2008.
Forskare vid Leibniz University Hannover, Max Born Institute och andra institut i Europa har nyligen utvecklat en ny, helt optisk attoklocka. Denna klocka, introducerad i en artikel publicerad i Nature Physics , skulle kunna användas för att samla in tidsupplösta mätningar i system med kondenserat material, vilket aldrig har uppnåtts hittills.
"Tunnling är en inneboende kvantmekanisk process, och därför bortom vår "klassiska fantasi", säger Ihar Babushkin, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org . "Tunnling av elektroner ur atomer händer när vi sätter atomer i ett mycket starkt elektriskt fält. Fältet kan göras så starkt att det "rivs av" elektroner från atomer, men elektronerna måste tunnla genom en barriär innan de lämnar atomen."
Tunnelering, den process genom vilken elektroner lämnar atomer, sker mycket snabbt. Vissa fysiker har till och med föreslagit att elektroner under tunnling färdas snabbare än ljus och försökte testa denna hypotes med hjälp av befintliga mätverktyg för attoklocka.
"Den för närvarande snabbaste tiden som kan mätas är runt en attoseund," förklarade Babushkin. "En attoseund är 10 -18 sekunder, som är relaterad till en sekund ungefär som en sekund till universums ålder, eller till och med mer."
Tidigare studerade de flesta forskare tunnling genom att försöka fånga elektroner efter att de lämnat atomer. Även om den här metoden ledde till några intressanta fynd, är den ofta mycket komplex och dyr att implementera, samtidigt som den inte undersöker tunnling direkt.
I sin uppsats introducerade Babushkin och hans kollegor en alternativ metod för att studera tunnling direkt, som också är billigare och mer exakt än tidigare tekniker. Denna nya metod tittar specifikt på strålningen som frigörs av elektroner under tunnlingsprocessen och dess efterföljande dynamik.
"Detta är möjligt eftersom vad som än händer med en elektron så utstrålar den lite ljus," sa Babushkin. "Vår metod är väldigt ovanlig ur synvinkeln "normal intuition". Anta att du försöker mäta något väldigt kort, till exempel fliken på en fjärils vingar. För att göra detta behöver du en klocka som fungerar snabbare än klaffen. Tänk om du istället försöker använda en uråldrig solklocka, som kan mäta timmar, men inte minuter och definitivt inte sekunder? Det kanske låter kontraintuitivt, men den period av ljusvågorna som vi kommer ikapp för att mäta attosekundens tidsskalor är en miljarder (10 9 ) gånger större än attosecond. Men, som vi visade, detta är verkligen möjligt!"
I huvudsak fångar attoklockan som utvecklats av Babushkin och hans kollegor ljuset som strålar ut från elektroner när de lämnar atomer och mäter dess polarisering. För att den skulle fungera som en "klocka" måste dock det starka elektriska fältet som lämnar atomen, även känt som "drivfält", variera i tid och vara cirkulärt polariserat.
"Om ljuset är cirkulärt polariserat, roterar det elektriska fältet med tiden som en klocka", sa Babushkin. "För att få ljuset att stråla ut med lägsta möjliga frekvens behövde vi ta två frekvenskomponenter i drivfältet. Med detta kan elektronens respons vara i terahertzområdet (en terahertz motsvarar 10 12 Hertz, och en Hertz är måttet på frekvensen som motsvarar en svängning per sekund)."
I sina experiment fann forskarna att genom att mäta polarisationen av terahertzstrålningen som sänds ut av elektronen kunde de komma åt dess dynamik på attosekundens skala. Detta var ett oväntat resultat, eftersom terahertz- och attosecond-tidsskalorna skiljer sig med nio storleksordningar.
"Eftersom mätning av ljuspolarisationen är mycket mer exakt än att mäta elektroner, kan vår optiska attoklocka vara mycket mer exakt än den vanliga attoklockan", sa Babushkin. "Även om vi i den här artikeln gjorde en proof-of-principe-presentation av attoklockan som extraherar mestadels samma information som den traditionella, men i framtiden kan vi gå längre än en attosekund och mäta tider redan i zeptosekundsintervallet, något som var så långt obefintlig inom fysiken."
Forskarna har redan framgångsrikt använt sin attoclock-prototyp för att mäta något som aldrig hade upptäckts med den traditionella attoclock, nämligen en liten asymmetri i joniseringsprocessen. I framtiden anser de att det också skulle kunna användas för att samla in tidsupplösta mätningar i system där elektroner inte kan detekteras, till exempel fasta ämnen.
För närvarande, på grund av deras höga tillverkningskostnader, kan attoklockor endast tillverkas i relativt få laboratorier över hela världen. Eftersom systemet som skapats av Babushkin och hans kollegor byggdes med mycket billigare komponenter än de som ligger till grund för andra existerande realiseringar av attoklockan, kan det i slutändan möjliggöra insamling av attoklockmätningar i fler institut över hela världen.
"Vår attoclock kan ha många olika applikationer," tillade Babushkin. "Vi är särskilt intresserade av att försöka tillämpa det i fasta ämnen. Det här är en av de riktningar där den traditionella attoclock-proceduren inte fungerar alls. För närvarande ligger processerna som exciteras av starka optiska fält i fasta ämnen på kanten av attosecond-vetenskapen och vi tror att vårt nya verktyg kommer att hjälpa till att samla in mycket intressant information." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
