Attoclocks, of attoseconde-klokken, zijn instrumenten die tijdsintervallen op de attosecondeschaal kunnen meten door de tijd te meten die elektronen nodig hebben om uit atomen te tunnelen. De attoseconde-procedure werd voor het eerst geïntroduceerd door een onderzoeksteam onder leiding van Ursula Keller in 2008.

Onderzoekers van Leibniz University Hannover, Max Born Institute en andere instituten in Europa hebben onlangs een nieuwe, volledig optische attoclock ontwikkeld. Deze klok, geïntroduceerd in een artikel gepubliceerd in Nature Physics , zou kunnen worden gebruikt om tijdsopgeloste metingen in systemen met gecondenseerde materie te verzamelen, wat tot nu toe nooit is bereikt.

"Tunneling is een inherent kwantummechanisch proces, en daarom buiten onze 'klassieke verbeelding'," vertelde Ihar Babushkin, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org . "Tunneling van elektronen uit atomen gebeurt wanneer we atomen in een zeer sterk elektrisch veld plaatsen. Het veld kan zo sterk worden gemaakt dat het elektronen van atomen 'afscheurt', maar de elektronen moeten door een barrière tunnelen voordat ze het atoom verlaten."

Tunneling, het proces waarbij elektronen atomen verlaten, gaat heel snel. Sommige natuurkundigen hebben zelfs gesuggereerd dat elektronen tijdens het tunnelen sneller reizen dan het licht en hebben geprobeerd deze hypothese te testen met behulp van bestaande attoclock-meetinstrumenten.

"De momenteel snelste tijd die kan worden gemeten, is ongeveer één attoseconde", legt Babushkin uit. "Eén attoseconde is 10 ^-18 seconden, dat is gerelateerd aan één seconde ongeveer als één seconde aan de leeftijd van het universum, of zelfs meer."

In het verleden hebben de meeste onderzoekers tunneling bestudeerd door te proberen elektronen te vangen nadat ze atomen hebben verlaten. Hoewel deze methode tot enkele interessante bevindingen leidde, is het vaak erg complex en duur om te implementeren, terwijl tunneling ook niet rechtstreeks wordt onderzocht.

In hun paper introduceerden Babushkin en zijn collega's een alternatieve methode om tunneling rechtstreeks te bestuderen, die ook goedkoper en nauwkeuriger is dan eerdere technieken. Deze nieuwe methode kijkt specifiek naar de straling die vrijkomt door elektronen tijdens het tunnelproces en de daaropvolgende dynamiek.

"Dit is mogelijk omdat wat er ook met een elektron gebeurt, het wat licht uitstraalt," zei Babushkin. "Onze methode is heel ongebruikelijk vanuit het oogpunt van 'normale intuïtie'. Stel dat je iets heel korts probeert te meten, zoals de flap van de vleugels van een vlinder. Daarvoor heb je een klok nodig die sneller werkt dan de flap. Wat als je in plaats daarvan een oude zonneklok probeert te gebruiken, die uren kan meten, maar geen minuten en zeker geen seconden?Het klinkt misschien contra-intuïtief, maar de periode van de lichtgolven die we inhalen om de attoseconde tijdschalen te meten is één miljard (10 ⁹ ) keer groter dan attoseconde. Maar, zoals we hebben laten zien, is dit wel degelijk mogelijk!"

In wezen vangt de door Babushkin en zijn collega's ontwikkelde attoklok het licht dat uitstraalt van elektronen wanneer ze atomen verlaten en meet de polarisatie ervan. Om het als een 'klok' te laten werken, moest het sterke elektrische veld dat het atoom verlaat, ook wel bekend als 'aandrijvend veld', in de tijd variëren en circulair gepolariseerd zijn.

"Als het licht circulair gepolariseerd is, roteert het elektrische veld met de tijd als een wijzer van een klok," zei Babushkin. "Om licht met de laagst mogelijke frequentie te laten uitstralen, moesten we twee frequentiecomponenten in het aandrijfveld nemen. Hiermee kan de respons van het elektron in het terahertz-bereik liggen (één terahertz komt overeen met 10 ¹² Hertz, en één Hertz is de maat voor de frequentie die overeenkomt met één oscillatie per seconde)."

In hun experimenten ontdekten de onderzoekers dat ze door het meten van de polarisatie van de terahertz-straling die door het elektron wordt uitgezonden, toegang konden krijgen tot de dynamiek ervan op de attoseconde schaal. Dit was een onverwacht resultaat, aangezien de tijdschalen van terahertz en attoseconden negen ordes van grootte verschillen.

"Omdat het meten van de lichtpolarisatie veel nauwkeuriger is dan het meten van elektronen, kan onze optische attoclock veel nauwkeuriger zijn dan de gebruikelijke attoclock-procedure," zei Babushkin. "Hoewel we in dit artikel een proof-of-principle-presentatie hebben gemaakt van de attoclock die grotendeels dezelfde informatie extraheert als de traditionele, kunnen we in de toekomst zelfs verder gaan dan één attoseconde en tijden meten die al in het bereik van zeptoseconden liggen, iets dat zo was verre van onbestaande in de natuurkunde."

De onderzoekers hebben hun prototype attoclock al met succes gebruikt om iets te meten dat nog nooit was gedetecteerd met de traditionele attoclock, namelijk een lichte asymmetrie in het ionisatieproces. In de toekomst denken ze dat het ook kan worden gebruikt om tijdsopgeloste metingen te verzamelen in systemen waar elektronen niet kunnen worden gedetecteerd, zoals vaste stoffen.

Momenteel kunnen attoclocks vanwege hun hoge fabricagekosten slechts in relatief weinig laboratoria wereldwijd worden geproduceerd. Aangezien het systeem dat door Babushkin en zijn collega's is gemaakt, is gebouwd met veel goedkopere componenten dan die welke andere bestaande realisaties van de attoclock ondersteunen, zou het uiteindelijk de verzameling van attoclock-metingen in meer instituten over de hele wereld mogelijk kunnen maken.

"Onze attoclock kan veel verschillende toepassingen hebben", voegde Babushkin eraan toe. "We zijn vooral geïnteresseerd in het proberen om het in vaste stoffen toe te passen. Dit is een van de richtingen waar de traditionele attoclock-procedure helemaal niet werkt. Momenteel bevinden de processen die worden opgewekt door sterke optische velden in vaste stoffen zich aan de rand van de attoseconde wetenschap en we geloven dat onze nieuwe tool zal helpen om veel interessante informatie te verzamelen." + Verder verkennen

Volledig optische attoclock voor het weergeven van tunneling-golfpakketten

© 2022 Science X Network