In het dubbelspletenexperiment, een deeltje reist tegelijkertijd op twee verschillende paden. Iets soortgelijks kan worden waargenomen wanneer een heliumatoom wordt geïoniseerd met een laserstraal. De ionisatie van helium kan via twee verschillende processen gebeuren, en dit leidt tot karakteristieke interferentie-effecten. Een team van wetenschappers is er nu in geslaagd om de opbouw van deze effecten te observeren, ook al vindt dit effect plaats op een tijdschaal van femtoseconden.

Het is zonder twijfel het beroemdste experiment in de kwantumfysica:in het dubbelspletenexperiment, een deeltje wordt op een plaat geschoten met twee evenwijdige spleten, er zijn dus twee verschillende paden waarop het deeltje de detector aan de andere kant kan bereiken. Vanwege zijn kwantumeigenschappen, het deeltje hoeft niet te kiezen tussen deze twee mogelijkheden, het kan tegelijkertijd door beide spleten gaan. Iets soortgelijks kan worden waargenomen wanneer een heliumatoom wordt geïoniseerd met een laserstraal.

Net als de twee paden door de plaat, de ionisatie van helium kan via twee verschillende processen tegelijk gebeuren, en dit leidt tot karakteristieke interferentie-effecten. In het geval van het heliumatoom, ze worden "Fano-resonanties" genoemd. Een team van wetenschappers van de TU Wien (Wenen, Oostenrijk), het Max-Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg (Duitsland) en de Kansas State University (VS) zijn er nu in geslaagd om de opbouw van deze Fano-resonanties waar te nemen, ook al vindt dit effect plaats op een tijdschaal van femtoseconden.

Het experiment werd uitgevoerd in Heidelberg, het oorspronkelijke voorstel voor een dergelijk experiment en computersimulaties zijn ontwikkeld door het team uit Wenen, aanvullende theoretische berekeningen kwamen van de Kansas State University.

Direct en indirect pad

Wanneer een laserpuls voldoende energie overdraagt ​​aan een van de elektronen in het heliumatoom, het elektron wordt meteen uit het atoom gerukt.

Er is, echter, een andere manier om het heliumatoom te ioniseren, wat iets ingewikkelder is, zoals professor Joachim Burgdörfer (TU Wien) uitlegt:"Als de laser eerst beide elektronen naar een toestand van hogere energie tilt, een van de elektronen kan terugkeren naar de staat van lagere energie. Een deel van de energie van dit elektron wordt overgedragen aan het tweede elektron, die dan het heliumatoom kan verlaten."

Het resultaat van deze twee processen is precies hetzelfde - beide veranderen het neutrale heliumatoom in een ion met één overblijvend elektron. Van dit perspectief, ze zijn fundamenteel niet te onderscheiden.

Fano-resonanties

"Volgens de wetten van de kwantumfysica, elk atoom kan beide processen tegelijkertijd ondergaan", zegt Renate Pazourek (TU Wien). "En deze combinatie van paden laat ons karakteristieke sporen na die kunnen worden gedetecteerd." Analyse van het licht dat door de heliumatomen wordt geabsorbeerd, Er worden zogenaamde Fano-resonanties gevonden - een onmiskenbaar teken dat de eindtoestand via twee verschillende wegen is bereikt.

Dit kan ook worden voorkomen. Tijdens het ionisatieproces het indirecte pad kan effectief worden uitgeschakeld met een tweede laserstraal zodat alleen het andere pad open blijft en de Fano-resonantie verdwijnt.

Dit opent een nieuwe mogelijkheid om de tijdsevolutie van dit proces te bestuderen. Aanvankelijk, het atoom mag beide paden tegelijk volgen. Na een tijdje, het indirecte pad wordt geblokkeerd. Afhankelijk van hoe lang het systeem toegang kreeg tot beide paden, de Fano-resonantie wordt min of meer duidelijk.

"Fano-resonanties zijn waargenomen in een grote verscheidenheid aan fysieke systemen, ze spelen een belangrijke rol in de atoomfysica", zegt Stefan Donsa (TU Wien). "Voor de eerste keer, het is nu mogelijk om deze resonanties te controleren en precies te laten zien, hoe ze zich opbouwen binnen femtoseconden." "Deze kwantumeffecten zijn zo snel dat ze op onze gebruikelijke tijdschalen onmiddellijk lijken te gebeuren, van het ene op het andere moment", zegt Stefan Nagele. "Alleen door gebruik te maken van nieuwe geavanceerde methoden van attoseconde fysica is het mogelijk geworden om de tijdsevolutie van deze processen te bestuderen."

Dit helpt kwantumwetenschappers niet alleen om de fundamentele theorie van belangrijke kwantumeffecten te begrijpen, het opent ook nieuwe mogelijkheden om dergelijke processen te beheersen, bijvoorbeeld door chemische reacties te vergemakkelijken of te remmen.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift van vandaag Wetenschap .

In hetzelfde nummer van Wetenschap tijdschrift, een team van wetenschappers uit Frankrijk en Spanje heeft een ander artikel gepubliceerd, waarin een complementaire methode van tijdsopgeloste foto-elektronenspectroscopie wordt gebruikt om zicht te krijgen op de Fano-resonantie.