Наблюдая квантовые переходы

15 марта 2017 г., 16:35

Квантовые частицы могут изменить свое состояние очень быстро – это называется «квантовый скачок». Атом, например, может поглотить фотон, тем самым переходя в состояние с более высокой энергией. Обычно, как думают, эти процессы происходят мгновенно, от одного момента к другому. Тем не менее с новыми методами, разработанными в TU Wien (Вена), стало возможным изучать временную структуру таких чрезвычайно быстрых изменений состояния. Во многом подобно тому, как электронный микроскоп позволяет нам взглянуть на пространственные микроструктуры, которые слишком малы, чтобы быть видны невооруженным глазом, сверхкороткие лазерные импульсы позволяют анализировать временные структуры, которые раньше были недоступны.

Теоретическая часть проекта была сделана командой профессора Йоахима Бургдорфера (Joachim Burgdorfer) из TU Wien, который также разработал первоначальную идею эксперимента. Эксперимент проводился в Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге (Германия).

Нейтральный атом гелия имеет два электрона. Если его облучить лазерным импульсом высокой энергии, он может быть ионизирован: один из электронов вырывается из атома. Этот процесс происходит на аттосекундной временной шкале.

«Можно вообразить, что другой электрон, который остается в атоме, на самом деле не играет особенной роли в этом процессе, но это не так», - говорит Рената Пацурек (Renate Pazourek) (TU Wien). Два электрона коррелируют, они тесно связаны законами квантовой физики, они не могут рассматриваться как независимые частицы. «Когда один электрон вырывается из атома, часть лазерной энергии может быть передана второму электрону. Он остается в атоме, но переходит в состояние с более высокой энергией», - говорит Стефан Нагель (Stefan Nagele) (TU Wien).

Таким образом, можно провести различие между двумя разными процессами ионизации: одним, в котором оставшийся электрон приобретает дополнительную энергию, и другим, в котором он находится в состоянии с минимальной энергией. Используя сложную экспериментальную установку, можно было показать, что продолжительность этих двух процессов не является одинаковой.

«Когда оставшийся электрон переходит в возбужденное состояние, процесс фотоионизации немного быстрее – примерно на пять аттосекунд», - говорит Стефан Нагель. Примечательно, насколько хорошо экспериментальные результаты согласуются с теоретическими расчетами и крупномасштабным компьютерным моделированием, проведенным на Венском научном кластере, крупнейшем суперкомпьютере в Австрии. «Точность эксперимента выше, чем одна аттосекунда. Это наиболее точное измерение времени квантового скачка на сегодняшний день», - говорит Рената Пацурек.

Эксперимент дает новое понимание физики сверхмалых временных масштабов. Эффекты, которые несколько десятилетий назад все еще считались "мгновенными", теперь можно рассматривать как временные события, которые могут быть вычислены, измерены и даже управляемы. Это не только поможет понять основные законы природы, но также принесет новые возможности манипулирования материей на квантовом уровне.

Наблюдая квантовые переходы