Een nieuw meetprotocol, ontwikkeld aan de TU Wien (Wenen), maakt het mogelijk om de kwantumfase van elektronen te meten - een belangrijke stap voor de attoseconde-fysica.

Het is als een microscoop voor tijd:de huidige methoden van attoseconde fysica stellen ons in staat om extreem korte tijdsintervallen te meten. Met behulp van korte laserpulsen, fysieke processen kunnen worden onderzocht op een tijdschaal van attoseconden - dat is miljardsten van een miljardste van een seconde.

Bijvoorbeeld, het is mogelijk om te bestuderen hoe een enkel atoom wordt geïoniseerd en hoe een elektron het atoom verlaat. Het elektron gedraagt ​​zich niet alleen als een puntvormig deeltje, maar de kwantumfysische golfeigenschappen spelen een belangrijke rol:het elektron is eigenlijk een elektronengolf die oscilleert op een extreem korte tijdschaal - en op een kleine lengteschaal. Het is een enorme uitdaging om de cyclusduur van zo'n oscillatie te meten, maar het is nog veel moeilijker om de fase te bepalen:wat is precies de slag die de elektronenoscillatie volgt? Als een elektron op twee verschillende manieren kan worden geïoniseerd, zullen beide elektronengolven in perfecte harmonie oscilleren, of zal er een kleine vertraging zijn (d.w.z. een faseverschuiving)? Een team van de TU Wien (Wenen) en het CREOL College van de University of Central Florida heeft nu theoretisch een protocol ontworpen waarmee de fase van dergelijke elektronengolven kan worden gemeten. Hierdoor kan een nieuwe, beter zicht op belangrijke fenomenen die worden gebruikt in fotosensoren of fotovoltaïsche cellen.

Zijn de elektronen niet synchroon?

"Elke golf bestaat uit golftoppen en golfdalen - en de fase van de golf vertelt ons op welke punten in ruimte en tijd ze zich bevinden, " zegt Stefan Donsa, die de nieuwe meetmethode heeft ontwikkeld, werken aan zijn proefschrift in de onderzoeksgroep van Prof. Joachim Burgdörfer (Instituut voor Theoretische Fysica, TU Wenen). "Als twee kwantumgolven elkaar zodanig overlappen dat elke golfpiek van de ene golf een golfpiek van de andere golf ontmoet, dan tellen ze op. Maar als je een van de golven een beetje verschuift, zodat de golftop van de ene golf op het golfdal van de andere golf komt te liggen, ze kunnen ook annuleren." Daarom, faseverschuivingen spelen een zeer belangrijke rol in de kwantumfysica.

Het is vergelijkbaar met het vinden van het juiste ritme in muziek:het is niet genoeg voor twee muzikanten om in hetzelfde tempo te spelen. Hun beats moeten ook precies in de tijd samenvallen, zonder enige faseverschuiving ertussen. Hiervoor heb je een referentieklok nodig, zoals een dirigent of een metronoom. Het nieuw ontwikkelde kwantummeetprotocol gebruikt iets soortgelijks:het ene atomaire proces dient als referentie voor het andere.

Een of twee fotonen

"Bij computersimulaties we hebben heliumatomen bestudeerd die worden geïoniseerd door laserpulsen bij verschillende energieën, " zegt Iva Brezinova. "Het heliumatoom kan een foton van de laserpuls absorberen en een elektron uitzenden. Dit elektron heeft dan een bepaalde fase, dat is uiterst moeilijk te meten."

De truc van de nieuw ontwikkelde methode is om een ​​tweede kwantumeffect toe te voegen als een klok, die dienst doet als een kwantummetronoom, bij wijze van spreken. In plaats van slechts één foton te absorberen, het atoom kan ook twee fotonen tegelijk opnemen, onder bepaalde omstandigheden. Deze dubbele absorptie leidt tot hetzelfde eindresultaat:een elektron dat wegvliegt met zeer specifieke energie. Maar dit keer heeft dit elektron een andere fase, en dit verschil kan worden gemeten.

Ingewikkelde meetprotocollen

In de attoseconde-fysica is het niet mogelijk om met een camera eenvoudig een film van een kwantumfysisch systeem te maken. In plaats daarvan, ingewikkelde experimentele protocollen moeten worden gebruikt. Verschillende van dergelijke protocollen zijn momenteel in gebruik, maar geen van hen heeft tot dusver directe meting van de elektronenfase mogelijk gemaakt.

Het nieuwe protocol, die nu is ontwikkeld door de teams uit Wenen en Florida, moet dit mogelijk maken. "Ons nieuwe meetprotocol stelt ons in staat om de informatie over de elektronenfase te vertalen naar zijn ruimtelijke verdeling door zeer speciale laserpulsen te combineren, " legt Stefan Donsa uit. "Door het juiste type laserpulsen te gebruiken, fase-informatie kan direct worden verkregen uit de hoekverdeling van de elektronen."

Het nieuw voorgestelde experimentele protocol is nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Nutsvoorzieningen, het is aan het experimenteren om de grenzen van deze methode te testen, om te zien welke kwantummechanische informatie in de praktijk kan worden verkregen met het nieuwe protocol.