Control cuantic al electronilor cu ajutorul luminii ultraviolet extreme
O echipă internațională de cercetători a reușit să controleze în mod coerent excitarea electronilor folosind pulsuri de lumină ultravioletă extremă (XUV), depășind un obstacol de lungă durată în fizica atomică. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Photonics.
Lumina este unul dintre cele mai puternice instrumente ale oamenilor de știință pentru investigarea materiei. Interacționând cu electronii, lumina dezvăluie structura atomilor, moleculelor și materialelor și modul în care acestea evoluează în timp. Fotonii ultravioleți de înaltă energie și cei din domeniul razelor X sunt deosebit de utili, deoarece pot accesa electronii aflați aproape de nucleele atomice, unde fiecare element chimic are propria amprentă electronică distinctivă. Deși cercetătorii pot controla electronii cu lasere în domeniul vizibil și infraroșu, extinderea acestor tehnici în domeniul XUV și al razelor X s-a dovedit mult mai dificilă.
Echipa a exploatat una dintre cele mai stranii caracteristici ale mecanicii cuantice: posibilitatea ca un proces să se producă în mai multe moduri simultan. Un electron poate ajunge în același stare finală pe rute diferite, iar aceste rute se pot suma sau anula reciproc, asemenea undelor care se suprapun pe suprafața apei. Cercetătorii au creat două rute cuantice concurente pentru excitarea unei stări legate în heliu, folosind așa-numita excitare Raman stimulată cu pulsuri XUV.
„Cu excitarea Raman stimulată în domeniul XUV este oarecum ca și cum am putea scoate un electron din atom și apoi l-am readuce acasă cu ajutorul luminii. Remarcabil este că, atunci când avem două astfel de căi de tranziție, putem decide dacă acest lucru se întâmplă sau nu, pur și simplu introducând întârzieri foarte mici în lumina cu care iluminăm atomul. Cu alte cuvinte, controlând faza pulsului de lumină pe una dintre rutele cuantice, putem decide dacă cele două căi cuantice cooperează sau se contrazic”, explică Matthieu Génévriez, unul dintre autorii studiului și cercetător la UCLouvain.
Randamentul excitației variază în funcție de faza unuia dintre câmpurile XUV. Timp de decenii, oamenii de știință s-au bazat pe împrăștierea Raman stimulată și pe tehnici similare care folosesc lasere în domeniul vizibil și infraroșu pentru a urmări reacțiile chimice și mișcarea electronică.
„Noul experiment demonstrează că aceste metode puternice pot fi acum aduse în domeniul ultraviolet extrem, depășind o provocare de lungă durată și deschizând noi posibilități pentru imagistică și manipularea materiei cu o rezoluție spațială fără precedent”, afirmă Ulli Eichmann, autorul principal al studiului și cercetător la Institutul Max Born.
Experimentul a fost realizat la laserul cu electroni liberi FERMI din Trieste, Italia, una dintre puținele instalații din lume capabile să producă lumina ultravioletă extremă intensă și strict controlată necesară pentru acest tip de studiu.
„Aceste instalații produc fulgere extrem de strălucitoare și ultra-scurte de lumină XUV și X, permițându-ne să investigăm materia în moduri care erau anterior imposibile”, explică Jan-Erik Rubensson, cercetător la Universitatea Uppsala. „Într-un anumit sens, ele oferă o imagine instantanee a mișcării electronilor și nucleelor atomice, asemănător cu modul în care o radiografie capturează structurile din interiorul corpului uman”, adaugă Eichmann.
Echipa internațională consideră că principiile demonstrate în acest studiu ar putea permite, în cele din urmă, o nouă generație de instrumente de imagistică și spectroscopie specifice elementelor, capabile să urmărească mișcarea electronică și transformările chimice la cele mai mici scări.
