Een team van onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Nucleaire Fysica in Heidelberg heeft voor het eerst op coherente wijze nucleaire excitaties gecontroleerd met behulp van geschikt gevormd röntgenlicht. In het experiment uitgevoerd bij de Europese Synchrotron ESRF, ze bereikten een temporele controlestabiliteit van enkele zeptoseconden. Dit vormt de basis voor nieuwe experimentele benaderingen waarbij gebruik wordt gemaakt van de beheersing van nucleaire dynamiek, wat zou kunnen leiden tot nauwkeurigere toekomstige tijdstandaarden en nieuwe mogelijkheden op weg naar nucleaire batterijen.

Moderne experimenten met kwantumdynamica kunnen de kwantumprocessen van elektronen in atomen voor een groot deel sturen door middel van laservelden. Echter, het innerlijk leven van atoomkernen speelt meestal geen rol omdat hun karakteristieke energie, tijd- en lengteschalen zijn zo extreem dat ze praktisch niet worden beïnvloed door de laservelden. Frisse benaderingen blazen de kernfysica nieuw leven in door deze ongevoeligheid voor externe verstoringen te benutten en de extreme schalen van de atoomkernen te gebruiken voor bijzonder nauwkeurige metingen. Dus, atoomkernen kunnen reageren op röntgenstraling met een extreem goed gedefinieerde energie door individuele nucleonen te exciteren - vergelijkbaar met elektronen in de atomaire schaal. Deze overgangen kunnen worden gebruikt als uurwerken voor nauwkeurige nucleaire klokken, en dit vereist het meten van nucleaire eigenschappen met de hoogste precisie.

Een team van onderzoekers rond natuurkundigen van het Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg is nu een stap vooruit gegaan door niet alleen de kwantumdynamica van atoomkernen te meten, maar ook om ze te controleren met behulp van geschikt gevormde röntgenpulsen met een voorheen onbereikte temporele stabiliteit van enkele zeptoseconden - een factor 100 beter dan alles wat eerder werd bereikt. Dit opent de toolbox van coherente controle, die met succes is vastgesteld in optische spectroscopie, tot atoomkernen, wat volledig nieuwe mogelijkheden en perspectieven biedt.

Zogenaamde coherente controle gebruikt de golfeigenschappen van materie om kwantumprocessen te regelen via elektromagnetische velden, bijv. laser pulsen. Naast de frequentie of golflengte, elk golffenomeen wordt gekenmerkt door de amplitude (golfhoogte) en fase (tijdelijke positie van golftoppen en -dalen). Een eenvoudige analogie is de besturing van een oscillerende zwaai door periodieke, golfachtig duwen. Voor deze, de exacte timing (fase) van de duw ten opzichte van de zwaaibeweging moet worden gecontroleerd. Als de naderende schommel wordt geduwd, het wordt vertraagd. Indien, anderzijds, het beweegt weg, de doorbuiging wordt vergroot door de druk.

analoog, de kwantummechanische eigenschappen van materie kunnen worden gecontroleerd via een overeenkomstige nauwkeurige besturing van de aangelegde laservelden. In de afgelopen decennia is er is grote vooruitgang en succes geboekt bij de coherente beheersing van atomen en moleculen, met een temporele precisie van licht tot op het attoseconde bereik, het miljardste deel van een miljardste van een seconde, wat overeenkomt met de natuurlijke tijdschaal van elektronen in atomen. Belangrijke onderzoeksdoelen met mogelijke toekomstige toepassingen zijn, bijvoorbeeld, de beheersing van chemische reacties of de ontwikkeling van nieuwe, preciezere tijdstandaarden.

In recente jaren, de beschikbaarheid van nieuwe stralingsbronnen voor röntgenstraling met laserkwaliteit (synchrotronstraling en vrije-elektronenlasers) heeft een nieuw veld geopend:nucleaire kwantumoptica. Natuurkundigen van de afdelingen van Christoph Keitel en Thomas Pfeifer van het Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) in Heidelberg zijn er nu voor het eerst in geslaagd om coherente controle van nucleaire excitaties door röntgenstraling aan te tonen bij de European Synchrotron ESRF (Grenoble, Frankrijk) in samenwerking met onderzoekers van DESY (Hamburg) en het Helmholtz Institute/Friedrich Schiller University (Jena). Er werd een stabiliteit van de coherente regeling van enkele zeptoseconden (een duizendste van een attoseconde) bereikt.

In het experiment, de onderzoekers rond projectleider Jörg Evers (MPIK) gebruikten twee monsters verrijkt met de ijzerisotoop 57Fe, die worden bestraald met korte röntgenpulsen van de synchrotron (Fig. 1). In het eerste monster ze genereerden een controleerbare dubbele röntgenpuls, die vervolgens werd gebruikt om de dynamiek van de kernen in het tweede monster te regelen. De onderzochte kernexcitaties - die weer de-exciteren door röntgenstraling - worden gekenmerkt door een zeer hoge scherpte in energie:zogenaamde Mössbauer-overgangen. De ontdekking van het onderliggende effect (Nobelprijs 1961) werd gedaan door Rudolf Mössbauer in 1958 bij de MPI voor Medisch Onderzoek, waaruit de MPIK in hetzelfde jaar afsplitste.

Om de dubbele puls te genereren, de kernen van het eerste monster worden geëxciteerd door de korte röntgenpuls en, vanwege de hoge energiescherpte, laat deze excitatie relatief langzaam vrij in de vorm van een tweede röntgenpuls. In het experiment, het monster wordt snel verschoven tussen de excitatie en de de-excitatie over een kleine afstand die overeenkomt met ongeveer de helft van de röntgengolflengte. Dit verandert de vluchttijd van de tweede puls naar het tweede monster, en verschuift dus de positie van de golven van de twee röntgenpulsen (relatieve fase) ten opzichte van elkaar.

Deze dubbele puls maakt het nu mogelijk om de kernen in het tweede monster te controleren. De eerste puls wekt een kwantummechanische dynamiek op in de kern, analoog aan de oscillerende swing. De tweede puls verandert deze dynamiek, afhankelijk van de relatieve fase van de twee röntgenpulsen. Bijvoorbeeld, als de golf van de tweede puls het tweede monster raakt in fase met de nucleaire dynamiek, de kernen worden verder geëxciteerd. Door de relatieve fase te variëren, de onderzoekers konden schakelen tussen verdere excitatie van de kernen en de-excitatie van de kernen, en zo de kwantummechanische toestand van de kernen controleren. Dit kan worden gereconstrueerd uit de gemeten interferentiestructuren van de röntgenstraling achter het tweede monster (Fig. 2).

Een akoestische analogie wordt geïllustreerd in Fig. 3:Hier, de Mössbauer-kernen van de samples komen overeen met stemvorken die worden aangeslagen door een korte knal ("startschot, " analoog aan de synchrotronpuls) en op zijn beurt geluid enigszins gedempt met hun nauwkeurig gedefinieerde frequentie. Het geluid van de eerste vork raakt dus de tweede vork na de knal als een extra excitatie. In geval (a), deze geluidsgolf beweegt tegengesteld aan de tweede vork, zodat de oscillatie wordt uitgeschakeld. In geval (b), de eerste vork wordt snel verschoven, zodat het geluid overeenkomt met de beweging van de tweede vork en deze dus meer opwindt.

Gezien de extreme eisen die nodig zijn om atoomkernen te controleren (de verplaatsing van het eerste monster met een halve golflengte is in de orde van een atoomstraal), de ogenschijnlijk geringe invloed van externe verstoringen op de kwaliteit van het experiment is verrassend. Hoe dan ook, dit werkt - vanwege de korte duur van een meetreeks, waarbij de belangrijkste storende bewegingen vrijwel worden bevroren. Deze stabiliteit is een voorwaarde voor toekomstige nieuwe toepassingen op basis van nucleaire transities:preciezere tijdstandaarden, onderzoek naar de variatie van fundamentele constanten of het zoeken naar nieuwe fysica buiten de geaccepteerde modellen.

Op het gebied van atomaire dynamica, verregaande controle is de sleutel tot veel toepassingen. De hier gedemonstreerde mogelijkheden openen de deur naar nieuwe experimentele benaderingen gebaseerd op de controle van nucleaire dynamiek, bijv. door kernen in bepaalde kwantumtoestanden voor te bereiden, waardoor nauwkeurigere metingen mogelijk zijn. Voor zover toekomstige röntgenbronnen een sterkere excitatie van de kernen mogelijk zouden maken, Ook zijn kernbatterijen denkbaar die grote hoeveelheden energie kunnen opslaan en vrijgeven in interne excitaties van de kernen zonder kernsplijting of kernfusie.