Anonim

Intern atombegivenhed fanget før du kan sige "zeptosekund "

Fysik

Colin Jeffrey

9. november 2016

Forskere har målt intervallet mellem en foton, der rammer en elektron i et heliumatom, og det udløses med en nøjagtighed på en trillioned milliarddel af et sekund (Kredit: Schultze / Ossiander / LMU)

Ved at arbejde hos Ludwig Maximilians Universitat Munchen (LMU München) og Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) har laserfysikere målt den tid, der er taget imellem en foton, der rammer et heliumatom, og en elektron udstødes med zeptosekund (en trillionedel af en milliarddel af en anden) præcision. Dette markerer første gang tidsplanen for denne type atombegivenhed er absolut bestemt med en sådan nøjagtighed.

Dette fænomen, kendt som fotoionisering, hvorved en ion dannes gennem interaktionen mellem en foton og et atom, er specifikt relateret til den kvantemekaniske omfordeling eller absorption af energi inden for et atom - nemlig fotonens energi distribueres enten mellem de to elektroner i heliumatomet, eller helt absorberet af en af ​​dem. Uanset hvordan ting går, udløses en af ​​elektronerne fra atomet, og det er derfor meget vigtigt at måle tidsintervallet mellem fotonstrike og elektronfrigivelse for at kontrollere et aspekt af kvantteori.

"Vores forståelse af disse processer i helium atom giver os et enormt pålideligt grundlag for fremtidige eksperimenter, " sagde martin schultze, lmu 's formand for eksperimentelle fysik. "Vi kan nu udlede den komplette bølge mekaniske beskrivelse af det indviklede system af elektron og ioniseret helium forælder atom fra vores målinger ".

Ejektionen af ​​en elektron efter fotionisering er kendt som fotoemission eller den fotoelektriske virkning - et fænomen, Albert Einstein, der er beskrevet i hans 1905-papir, der beskrev, at lysenergien blev båret i diskrete pakker, og som til sidst førte til kvantteori selv. For at se denne effekt forekommer der både høj-energi-lasere og et kamera med en utrolig hurtig lukkerhastighed.

Dette skyldes, at excitationsniveauer af denne størrelsesorden kræver energiindgange i mega-elektronvolt (MeV) -området, og tidsrammen for hele arrangementet, fra når fotonen rammer elektronerne til det øjeblik, hvor en af ​​elektronerne udleder atomet, er et sted omkring 5 til 15 attosekunder (en attosekund er en fjerdedel af et sekund eller 10-18 sekunder).

Intet almindeligt kamera kunne muligvis håbe at fange dette øjeblik. Selv et superfast kamera, som det japanske STAMP-system, er alt for langsomt, på trods af at man kan snap billeder i femtosekunder (en fjerdedel eller 10-15 sekunder). Faktisk opererer det nye system, der benyttes af de fysiske fysikere i München, ved størrelsesordener hurtigere og præcist indfanger begivenheder ned til 850 zeptosekunder (en zeptosekund er 10-21 sekunder).

For at opnå sådanne blærende indfangningshastigheder fyrede forskerne en attosekundslang, ekstremt ultraviolet (XUV) lyspuls på et heliumatom samtidig med at der blev skudt en fire femtosekund infrarød laserpuls i samme område. Når elektronen blev udstødt, blev den straks detekteret af den infrarøde laserpuls. Afhængigt af tilstanden af ​​laserpulsens oscillerende elektromagnetiske felt på tidspunktet for indfangningen blev den frigjorte elektron enten accelereret eller decelereret ved fotonets interaktion og målinger af denne hastighedsændring aktiverede forskere til registrering af længden af ​​fotoemissionshændelsen ned til zeptosekunden nøjagtighed.

Det praktiske resultat fra et kvanteperspektiv til dette eksperiment er, at fysikerne også kunne konstatere, hvordan energien af ​​fotonet, der blev affyret ind i heliumatomet, er kvantemekanisk fordelt mellem de to elektroner indeholdt i det atomer i de meget få attosekunder forud for fotoemission finder sted.

Da de forholdsvis simple egenskaber af heliumatomet tillader dets adfærd udelukkende at beregnes ud fra anvendelsen af ​​kvanteorientering, betyder dette nye zeptosekundnøjagtighedseksperiment, at det nu er muligt at endeligt afstemme teori og eksperiment.

Resultaterne af denne forskning blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics .

Kilde: LMU München

Forskere har målt intervallet mellem en foton, der rammer en elektron i et heliumatom, og det udløses med en nøjagtighed på en trillioned milliarddel af et sekund (Kredit: Schultze / Ossiander / LMU)

Anbefalet Redaktørens Valg