То есть им впервые удалось отследить электрон, покидающий окрестности атома, когда атом поглощает свет. В некотором роде «снимки» процесса они смогли проследить, как уникальный импульс каждого электрона изменялся за невероятно короткий промежуток времени, который потребовался, чтобы покинуть свой атом-хозяин и стать свободным электроном.В журнале Nature Physics исследователи пишут, что отслеживание электронов в таких мелких деталях представляет собой первый шаг к управлению поведением электронов внутри материи — и, таким образом, первый шаг на долгом и сложном пути, который в конечном итоге может привести к способности создавать новые состояния материи по желанию.
Одним из непосредственных последствий является то, что исследователи теперь могут классифицировать квантово-механическое поведение электронов из разных атомов, объяснил руководитель проекта Луи Ди Мауро, председатель Hagenlocker и профессор физики в Университете штата Огайо.«Теперь мы можем взглянуть на электрон и расшифровать его раннюю историю. Мы можем спросить, чем он отличается, например, от атома гелия или атома неона», — сказал он.
Но конечная цель исследователей — нанести на карту квантово-механические системы — которые применимы к сверхмалому миру — в гораздо большем масштабе, чтобы в конечном итоге они могли управлять движением субатомных частиц внутри молекулы.«Если вы подумаете о каждом снимке, который мы берем, как о кадре в фильме, возможно, однажды мы сможем остановить фильм на одном конкретном кадре и изменить то, что происходит дальше, — скажем, протыкнув электрон светом и изменив его направление. Это было бы как войти в химическую реакцию и заставить реакцию происходить иначе, чем это было бы естественным образом », — сказал ДиМауро.По сути, он и докторант физики Дитрих Кизеветтер и их коллеги доказали, что хорошо зарекомендовавшая себя лабораторная методика изучения свободных электронов может быть использована для изучения электронов, которые еще не совсем свободны, а скорее находятся в процессе выхода из атома.
Электроны ведут себя по-разному, когда они могут чувствовать притяжение субатомных сил со стороны ядра и соседних электронов, и чем дальше они удаляются от атома, тем эти силы уменьшаются. Хотя освобождение занимает менее фемтосекунды (одна квадриллионная секунды), это исследование показывает, как импульс электрона изменяется много раз по мере того, как он теряет контакт с отдельными частями атома. Эти изменения происходят на шкале аттосекунд (тысячные доли фемтосекунды или квинтиллионты секунды).
Техника, которую использовали исследователи, называется РАББИТ, или реконструкция аттосекундного биения путем вмешательства в двухфотонные переходы, и включает в себя воздействие света на атомы в газе для выявления квантово-механической информации. Он существует уже почти 15 лет и стал стандартной процедурой для изучения процессов, происходящих в очень короткие сроки.Однако не вся квантово-механическая информация, поступающая от RABBITT, может использоваться — или, по крайней мере, не вся она до сих пор считалась пригодной для использования.
Вот почему они назвали свою версию техники RABBITT +.«Мы используем информацию, которую другие люди выбросили бы, часть, которая приходит из ядра атома, потому что данные всегда казались слишком сложными для расшифровки», — сказал ДиМауро. «Мы разработали модель, которая показывает, что мы можем извлекать простую, но важную информацию из более сложной информации».ДиМауро доверил Роберту Джонсу, профессору физики Фрэнсиса Х. Смита в Университете Вирджинии, разработку ключевых элементов модели, которые сделали эту информацию полезной.
Среди других соавторов статьи Пьер Агостини, профессор физики в штате Огайо, и бывшие докторанты Стивен Шоун и Антуан Кампер, которые с тех пор окончили университет.