Когда свет падает на электроны в атомах, их состояния могут измениться невообразимо быстро. Лазерные физики из LMU в Мюнхене и Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) к настоящему времени измерили продолжительность такого явления, а именно фотоионизации, при которой электрон выходит из атома гелия после возбуждения светом — впервые с зептосекундой. точность. Зептосекунда — это одна триллионная миллиардной доли секунды (10–21 с).
Это первое абсолютное определение шкалы времени фотоионизации, и степень достигнутой точности беспрецедентна для прямого измерения взаимодействия света и материи.Когда легкая частица (фотон) взаимодействует с двумя электронами в атоме гелия, изменения происходят не только в сверхкоротком масштабе времени, но и квантовая механика также вступает в игру. Его правила диктуют, что либо вся энергия фотона поглощается одним из электронов, либо энергия распределяется между ними.
Независимо от режима передачи энергии один электрон выбрасывается из атома гелия. Этот процесс, называемый фотоэмиссией, или фотоэлектрическим эффектом, был открыт Альбертом Эйнштейном в начале прошлого века. Чтобы наблюдать за происходящим, вам нужна камера с невероятно короткой выдержкой: весь процесс, от момента взаимодействия фотона с электронами до момента, когда один из электронов покидает атом, занимает от 5 до 15 аттосекунды (1 как 10-18 секунд), как разработали физики в последние годы.
Используя улучшенный метод измерения, мюнхенские физики теперь могут точно фиксировать события, которые происходят во времени до 850 зептосекунд. Исследователи направили ультрафиолетовый (XUV) световой импульс длительностью аттосекунд на атом гелия, чтобы возбудить электроны. В то же время они выпустили второй инфракрасный лазерный импульс по той же цели, продолжительностью около четырех фемтосекунд (1 фс составляет 10-15 секунд).
Выброшенный электрон регистрировался инфракрасным лазерным импульсом, как только он покидал атом в ответ на возбуждение XUV-светом. В зависимости от точного состояния колеблющегося электромагнитного поля этого импульса во время обнаружения электрон ускорялся или замедлялся.
Измеряя это изменение скорости, исследователи смогли установить продолжительность события фотоэмиссии с зептосекундной точностью. Вдобавок исследователи впервые смогли определить, как энергия падающего фотона квантово-механически распределяется между двумя электронами атома гелия в последние несколько аттосекунд перед испусканием одной из частиц.«Наше понимание этих процессов внутри атома гелия дает нам чрезвычайно надежную основу для будущих экспериментов», — объясняет Мартин Шульце, специалист по лазерной физике на кафедре экспериментальной физики LMU, который руководил экспериментами в MPQ. Он и его команда смогли сопоставить зептосекундную точность своих экспериментов с теоретическими предсказаниями, сделанными их коллегами из Института теоретической физики Венского технического университета.
Гелий с двумя электронами является наиболее сложной системой, свойства которой можно полностью рассчитать с помощью квантовой теории. Это позволяет согласовать теорию и эксперимент. «Теперь мы можем получить полное волновое механическое описание запутанной системы электронов и родительского атома гелия на основе наших измерений», — говорит Шульце.