Naukowcy z Australian Attosecond Science Facility i Uniwersytetu Griffitha w Brisbane, kierowani przez prof. Roberta Sanga i prof. Igora Litwiniuka, opracowali nowatorską technikę interferometryczną zdolną do pomiaru opóźnień czasowych z rozdzielczością zeptosekundową.
Czytaj też: Elektrony jako ciecz mogą pomóc w budowie komputerów kwantowych odpornych na zaburzenia
Model ten został wykorzystany do pomiaru opóźnienia czasowego między impulsami skrajnego światła UV emitowanego przez dwa różne izotopy cząsteczek wodoru, oddziałujące z intensywnymi impulsami lasera podczerwonego. Opóźnienie to wynosi mniej niż trzy attosekundy i jest spowodowane nieco innymi ruchami lżejszych i cięższych jader. Szczegóły opisano w czasopiśmie Ultrafast Science.
Jak szybkie są elektrony?
Fale świetlne zostały wygenerowane przez cząsteczki wystawione na działanie intensywnych impulsów laserowych w procesie zwanym generacją wysokich harmonicznych (HHG). Zachodzi on, gdy elektron jest usuwany z cząsteczki przez silne pole laserowy i przyspieszany przez to samo pole, a następnie łączy się z jonem oddając energię w postaci ekstremalnego promieniowania UV (XUV).
Pomiar intensywności widma HHG jest stosunkowo prosty, ale pomiar fazy HHG jest znacznie trudniejszym zadaniem. A faza zawiera najistotniejszą informację o czasie trwania różnych etapów procesu emisji. Aby ją zmierzyć, zwykle wykonuje się tzw. pomiar interferometryczny, kiedy to dwie repliki fali z precyzyjnie kontrolowanym opóźnieniem doprowadza się do nałożenia (lub interferencji) na siebie. Mogą one interferować konstruktywnie lub destrukcyjnie w zależności od opóźnienia i względnej różnicy faz między nimi.
Pomiaru takiego dokonuje się za pomocą interferometru. Bardzo trudno jest zbudować interferometr dla światła XUV, w szczególności wytworzyć i utrzymać stabilne, znane i precyzyjnie dostrajane opóźnienie pomiędzy dwoma impulsami XUV. Australijscy naukowcy rozwiązali ten problem wykorzystując zjawisko znane jako faza Gouy’a.
Uczeni wykorzystali dwa różne izotopy wodoru cząsteczkowego – najprostszej cząsteczki w przyrodzie. Izotopy – lekki (H2) i ciężki (D2) wodór – różnią się jedynie masą jąder – protonów w H2 i deuteronów w D2. Cała reszta, w tym struktura elektronowa i energie są identyczne.
Czytaj też: Stworzono najdokładniejszy attozegar na świecie. Pozwala podglądać elektrony
Ze względu na większą masę jądra w D2 poruszają się nieco wolniej niż jądra w H2. Ponieważ ruchy jądrowe i elektryczne w cząsteczkach są sprzężone, ruch jądrowy wpływa na dynamikę funkcji falowych elektronów podczas procesu HHG, powodując niewielkie przesunięcie fazowe między dwoma izotopami. Naukowcy z Uniwersytetu Griffitha zmierzyli to opóźnienie czasowe emisji dla wszystkich harmonicznych obserwowanych w widmie HHG – było ono niemal stałe i nieco poniżej 3 attosekund.
W przyszłości technika ta może być wykorzystana do pomiaru ultraszybkiej dynamiki różnych procesów indukowanych światłem w atomach i cząsteczkach z niespotykaną rozdzielczością czasową.
