Verstrengeling is een vreemd fenomeen in de kwantumfysica waarbij twee deeltjes inherent met elkaar verbonden zijn, ongeacht de afstand ertussen. Wanneer de ene wordt gemeten, is de andere meting meteen een gegeven. Onderzoekers van de Purdue University hebben een nieuwe, onconventionele benadering voorgesteld om een ​​speciale lichtbron te genereren die bestaat uit verstrengelde fotonen. Op 6 september 2022 publiceerden ze hun bevindingen in Physical Review Research .

Het team stelde een methode voor om verstrengelde fotonen te genereren bij extreem-ultraviolette (XUV) golflengten waar een dergelijke bron momenteel niet bestaat. Hun werk biedt een routekaart over hoe deze verstrengelde fotonen kunnen worden gegenereerd en gebruikt om de dynamiek van elektronen in moleculen en materialen te volgen op de ongelooflijk korte tijdschalen van attoseconden.

"De verstrengelde fotonen in ons werk komen gegarandeerd binnen een zeer korte duur van attoseconden op een bepaalde locatie aan, zolang ze dezelfde afstand afleggen", zegt dr. Niranjan Shivaram, assistent-professor natuur- en sterrenkunde. "Deze correlatie in hun aankomsttijd maakt ze erg handig om ultrasnelle gebeurtenissen te meten. Een belangrijke toepassing is in attoseconde metrologie om de grenzen van meting van de kortste tijdschaalfenomenen te verleggen. Deze bron van verstrengelde fotonen kan ook worden gebruikt in kwantumbeeldvorming en spectroscopie , waar is aangetoond dat verstrengelde fotonen het vermogen om informatie te verkrijgen verbeteren, maar nu op XUV- en zelfs röntgengolflengten."

De auteurs van de publicatie, getiteld "Attoseconde verstrengelde fotonen van twee-fotonverval van metastabiele atomen:een bron voor attoseconde-experimenten en verder", zijn allemaal van de Purdue University Department of Physics and Astronomy en werken samen met het Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). Het zijn Dr. Yimeng Wang, recent afgestudeerd aan de Purdue University; Siddhant Pandey, Ph.D. kandidaat op het gebied van experimentele ultrasnelle spectroscopie; Dr. Chris H. Greene, Albert Overhauser Distinguished Professor of Physics and Astronomy; en Dr. Shivaram.

"Het Department of Physics and Astronomy van Purdue heeft een sterk atomair, moleculaire en optische (AMO) fysica-programma, dat experts op verschillende deelgebieden van AMO samenbrengt", zegt Shivaram. "Chris Greene's deskundige kennis van theoretische atoomfysica gecombineerd met Niranjan's achtergrond in het relatief jonge veld van experimentele attoseconde wetenschap leidde tot dit samenwerkingsproject. Hoewel veel universiteiten AMO-programma's hebben, is Purdue's AMO-programma uniek divers omdat het experts heeft in meerdere subgebieden van AMO-wetenschap."

Elke onderzoeker speelde een belangrijke rol in dit lopende onderzoek. Greene suggereerde aanvankelijk het idee om fotonen die worden uitgezonden door heliumatomen te gebruiken als een bron van verstrengelde fotonen en Shivaram suggereerde toepassingen voor de wetenschap en stelde experimentele schema's voor. Wang en Greene ontwikkelden vervolgens het theoretische raamwerk om verstrengelde fotonenemissie van heliumatomen te berekenen, terwijl Pandey en Shivaram schattingen maakten van verstrengelde fotonenemissie/absorptiesnelheden en de details van de voorgestelde attoseconde experimentele schema's uitwerkten.

De publicatie markeert het begin van dit onderzoek voor Shivaram en Greene. In deze publicatie stellen de auteurs het idee voor en werken ze de theoretische aspecten van het experiment uit. Shivaram en Greene zijn van plan te blijven samenwerken aan experimentele en verdere theoretische ideeën. Het laboratorium van Shivaram, de Ultrafast Quantum Dynamics Group, bouwt momenteel een apparaat om enkele van deze ideeën experimenteel te demonstreren. Volgens Shivaram is de hoop dat andere onderzoekers in de attoseconde wetenschap aan deze ideeën zullen gaan werken. Een gezamenlijke inspanning van veel onderzoeksgroepen zou de impact van dit werk verder kunnen vergroten. Uiteindelijk hopen ze de tijdschaal van verstrengelde fotonen te krijgen tot op de zeptoseconde, 10 ^-21 seconden.

"Normaal gesproken worden experimenten op attoseconde-tijdschalen uitgevoerd met behulp van attoseconde laserpulsen als 'flitsers' om de elektronen 'af te beelden'. De huidige limieten voor deze pulsen zijn ongeveer 40 attoseconden. Ons voorgestelde idee om verstrengelde fotonen te gebruiken, zou dit kunnen verlagen tot een paar attoseconden of zeptoseconden", zegt Shivaram.

Om de timing te begrijpen, moet men begrijpen dat elektronen een fundamentele rol spelen bij het bepalen van het gedrag van atomen, moleculen en vaste materialen. De tijdschaal van de beweging van elektronen is typisch de femtoseconde (een miljoenste van een miljardste van een seconde-10 ^-15 seconden) en attoseconde (een miljardste van een miljardste van een seconde, of 10 ^-18 seconden) schaal. Volgens Shivaram is het essentieel om inzicht te krijgen in de dynamiek van elektronen en hun beweging te volgen op deze ultrakorte tijdschalen.

"Het doel van het gebied van ultrasnelle wetenschap is om zulke 'films' van elektronen te maken en vervolgens licht te gebruiken om het gedrag van deze elektronen te regelen om chemische reacties te ontwikkelen, materialen met nieuwe eigenschappen te maken, apparaten op moleculaire schaal te maken, enz." hij zegt. "Dit is interactie tussen licht en materie op het meest basale niveau, en de mogelijkheden voor ontdekking zijn talrijk. Een enkele zeptoseconde is 10 ^-21 seconden. Duizend zeptoseconden is een attoseconde. Onderzoekers beginnen nu pas zeptoseconde verschijnselen te onderzoeken, hoewel het experimenteel buiten bereik is vanwege een gebrek aan zeptoseconde laserpulsen. Onze unieke benadering van het gebruik van verstrengelde fotonen in plaats van fotonen in laserpulsen zou ons in staat kunnen stellen het zeptoseconde regime te bereiken. Dit zal een aanzienlijke experimentele inspanning vergen en is waarschijnlijk mogelijk binnen een tijdsbestek van vijf jaar." + Verken verder

Hoge helderheid attoseconde röntgenvrije elektronenlasers op basis van golffrontcontrole