Międzynarodowy zespół naukowców pod kierunkiem dr. Lukasa Brudera z Uniwersytetu we Fryburgu dokonał istotnego przełomu w badaniach nad stanami kwantowymi. Badacze po raz pierwszy zdołali bezpośrednio sterować tzw. hybrydowymi stanami elektron-foton, powstającymi w atomach helu, kiedy te poddawane są działaniu wyjątkowo intensywnego promieniowania ultrafioletowego. Wyniki ich pracy, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nature”, mogą przyczynić się do głębszego zrozumienia natury kwantowej materii w ekstremalnych warunkach świetlnych, a także pomóc w opracowaniu narzędzi do kontrolowania reakcji chemicznych z niezwykłą precyzją.
Hybrydowe stany elektron-foton
Elektrony w atomie mają zazwyczaj ściśle określone poziomy energetyczne, które nie zmieniają się bez zewnętrznego wpływu. Jednak w bardzo silnym polu świetlnym, takim jak niezwykle intensywny impuls laserowy, struktura energetyczna ulega modyfikacji. W efekcie dochodzi do „przyłączenia” fotonów (kwantów światła) do stanów elektronowych, co prowadzi do powstania nowych, hybrydowych układów nazywanych „dressed states”. W tych wyjątkowych warunkach elektrony i fotony tworzą razem spójne systemy o odmiennych własnościach, których nie da się uzyskać przy użyciu słabego światła lub promieniowania widzialnego. Takie zjawiska są obserwowane przy intensywnościach rzędu dziesiątek bilionów watów na centymetr kwadratowy i dają naukowcom wgląd w procesy kwantowe zachodzące w ekstremalnych skalach energii.
Kontrola kwantowa w silnym polu świetlnym dla populacji „dressed” w atomach helu
a.) Widma fotoelektronów uzyskane dla impulsów XUV o kształtowanej fazie (zobacz etykiety dla wartości GDD – grupowego opóźnienia dyspersji); energia fotonów = 21,25 eV; ). Kontrola populacji stanów „dressed” jest bezpośrednio widoczna w zmianach względnych amplitudy pasm fotoelektronowych. Mały pik przy 18,13 eV wynika z niecałkowitego usunięcia wpływu składnika o niższym natężeniu, związanego z aberracją ogniskowania.
b.) Obliczenia równania Schrödingera zależnego od czasu (TDSE-SAE) dla pojedynczego aktywnego elektronu i jednego natężenia lasera, odpowiadającego eksperymentalnemu I_eff=2,8×10^14W/cm^2 (ciemne kolory). Prążki spektralne odzwierciedlają tu czasowy przebieg częstotliwości Rabiego w trakcie interakcji światło-materia. Poszerzone widma fotoelektronowe (jasne kolory) uwzględniają eksperymentalne efekty poszerzenia, spowodowane średnią intensywności w ognisku i funkcją odpowiedzi instrumentu. a.u. – jednostki arbitralne.[2]
Nowe metody kształtowania impulsów laserowych
Kluczowe dla osiągnięcia tego przełomu było wykorzystanie swobodnego lasera elektronowego (FEL) FERMI w Trieście. To zaawansowane urządzenie pozwala generować bardzo intensywne światło w paśmie ekstremalnego ultrafioletu (XUV), o długości fali poniżej 100 nanometrów. Tak krótkie fale mają wystarczającą energię, by „przemodelować” stany elektronowe w helu i utworzyć wspomniane hybrydowe układy. Zastosowano nową technikę formowania impulsów laserowych, w której tzw. impuls „seedujący” (inicjujący) określa warunki emitowanego później światła. Dzięki temu mogli modyfikować moment pojawienia się poszczególnych barw światła składających się na końcowy impuls. W rezultacie uzyskali precyzyjną kontrolę nad tym, kiedy i jak powstają hybrydowe stany kwantowe, co wcześniej było nieosiągalne.
Znaczenie i perspektywy
Opracowanie metod bezpośredniej kontroli nad stanami elektron-foton to krok milowy w badaniach nad oddziaływaniem światła z materią. Pozwala to nie tylko lepiej zrozumieć fundamentalne procesy kwantowe, ale może także znaleźć praktyczne zastosowania. Na przykład, kontrolowanie stanów hybrydowych w tak ekstremalnych warunkach może przyczynić się do udoskonalenia eksperymentów z laserami swobodnych elektronów, czyniąc je bardziej efektywnymi i selektywnymi. Ponadto nowe możliwości kontroli mogą w przyszłości pomóc w sterowaniu reakcjami chemicznymi z dokładnością do pojedynczych atomów, co stanowiłoby ogromny postęp w dziedzinie inżynierii materiałowej i nanotechnologii.
[1] Tłumaczenie na podstawie: https://phys.org/news/2024-12-scientists-quantum-states-energy-range.html
[2] Publikacja naukowa „Strong-field quantum control in the extreme ultraviolet domain using pulse shaping”: https://www.nature.com/articles/s41586-024-08209-y