0,00000000000000005 sekúnd – Fyzici generujú jeden z najkratších signálov, aké kedy ľudia vyprodukovali

Vedci z Univerzity v Kostnici vyvinuli metódu využívajúcu femtosekundové svetelné záblesky na generovanie elektrónových impulzov s trvaním asi päť attosekúnd. Tento prelom, ktorý ponúka vyššie časové rozlíšenie ako svetelné vlny, otvára cestu pre pozorovanie ultrarýchlych javov, ako sú jadrové reakcie.

Fyzici z Univerzity v Kostnici vytvorili jeden z najmenších signálov, aké kedy ľudia vyprodukovali.

Molekulárne procesy alebo procesy v tuhej fáze v prírode môžu niekedy prebiehať v tak krátkych časových rámcoch, ako sú femtosekundy (kvadriliontiny sekundy) alebo attosekundy (kvintilióntiny sekundy). Jadrové reakcie sú ešte rýchlejšie. Teraz Maxim Tsarev, Johannes Thurner a Peter Böhm, vedci z Univerzity v Kostnici, používajú nové experimentálne nastavenie na získanie signálov s trvaním attosekúnd, t. j. miliardtín nanosekundy, čo otvára nové perspektívy v tejto oblasti. Ultrarýchla akcia.

Ani svetelné vlny nemôžu dosiahnuť také časové rozlíšenie, pretože jedna oscilácia trvá príliš dlho. Riešenie tu poskytujú elektróny, ktoré umožňujú výrazne vyššie časové rozlíšenie. Vo svojom experimentálnom usporiadaní výskumníci z Konstanz používajú páry femtosekundových svetelných zábleskov z lasera na generovanie svojich extrémne krátkych elektrónových impulzov vo voľnom priestore. Výsledky sú uvedené v časopise fyzika prírody,

Ako o tom uvažovali vedci?

Podobne ako vodné vlny, aj svetelné vlny sa môžu prekrývať a vytvárať tak stojaté alebo pohyblivé vrcholy a žľaby. Fyzici zvolili uhly dopadu a frekvencie tak, aby sa spoločne šíriace elektróny, letiace vo vákuu polovičnou rýchlosťou svetla, presne prekrývali s vrcholmi a dnami optických vĺn rovnakej rýchlosti.

To, čo je známe ako ponderomotorická sila, tlačí elektróny v smere ďalšej vlny. Po krátkej interakcii sa teda vygeneruje séria elektrónových impulzov, ktoré sú extrémne krátke – najmä v strede sledu impulzov, kde sú elektrické polia veľmi silné.

Na krátke časové obdobia je časové trvanie elektrónových impulzov iba päť attosekúnd. Na pochopenie tohto procesu výskumníci merajú distribúciu rýchlosti elektrónov, ktoré zostávajú po stlačení. Fyzik Johannes Thurner vysvetľuje: „Namiesto rovnomernej rýchlosti výstupného impulzu vidíte veľmi širokú distribúciu, ktorá je výsledkom silného spomalenia alebo zrýchlenia niektorých elektrónov počas kompresie.“ „Ale to nie je všetko: distribúcia nie je hladká. Namiesto toho pozostáva z tisícok rýchlostných krokov, pretože s elektrónmi môže naraz interagovať iba určitý počet párov ľahkých častíc.

význam pre výskum

Vedci hovoria, že kvantovo mechanicky ide o dočasnú superpozíciu (interferenciu) elektrónov so sebou samými po tom, čo zažili rovnaké zrýchlenie v rôznych časoch. Tento efekt je relevantný pre kvantové mechanické experimenty – napríklad pri interakcii elektrónov a svetla.

Pozoruhodné je aj to, že rovinné elektromagnetické vlny ako svetelný lúč vo všeobecnosti nemôžu spôsobiť trvalé zmeny rýchlosti elektrónov vo vákuu, pretože celková energia a celková hybnosť obrovského elektrónu a svetelnej častice s nulovou pokojovou hmotnosťou (fotón) nemožno zachovať. Tento problém je však vyriešený tým, že dva fotóny súčasne vo vlne postupujú pomalšie ako rýchlosť svetla (Kapitza-Diracov efekt).

Pre Petra Böhma, profesora fyziky a vedúceho skupiny Svetla a hmoty na Univerzite v Kostnici, sú tieto výsledky stále jednoznačne základným výskumom, no zdôrazňuje obrovské možnosti budúceho výskumu: „Ak sa materiál krátkymi impulzmi vyšle na premennú časový interval, prvý impulz môže spustiť zmenu a druhý impulz je možné použiť na pozorovanie – podobne ako blesk fotoaparátu.

Podľa jeho názoru je veľkou výhodou, že experimentálna teória nezahŕňa žiadny materiál a všetko sa deje vo voľnom priestore. Pre silnejšiu kompresiu v budúcnosti možno teoreticky vždy použiť lasery akéhokoľvek výkonu. „Naša nová dvojfotónová kompresia nám umožňuje filmovať nové dimenzie času a možno aj jadrové reakcie,“ hovorí Baum.

Odkaz: „Nelineárne optické kvantové riadenie vĺn voľných elektrónov“ od Maxima Tsareva, Johannesa W. Thurnera a Petra Böhma, 12. júna 2023, fyzika prírody,
DOI: 10.1038/s41567-023-02092-6