Как измерить мгновенье?
Международная команда ученых при участии физиков из МГУ впервые в мире смогла отследить квантовые процессы с точностью до нескольких аттосекунд – одной миллиардной доли миллиардной доли секунды.
На атомарном уровне процессы протекают чрезвычайно быстро. Движения атомов в молекуле, разрыв и образование связей между ними происходят за времена, исчисляемые фемтосекундами (10-15 секунды). А электронные процессы, которые и определяют химические связи, протекают еще в тысячу раз быстрее – за времена, исчисляемые уже аттосекундами (10-18 секунды). Чтобы ощутить чудовищную малость этого времени, скажем, что одна аттосекунда меньше одной секунды во столько же раз, во сколько секунда меньше времени жизни Вселенной, оцениваемого примерно в 14 миллиардов лет.
Коллектив исследователей при участии российских физиков из НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова сумел провести эксперимент, в котором впервые в мире удалось отследить сверхбыстрые движения электронов с точностью до трех аттосекунд. Они наблюдали за вылетом фотоэлектронов, выбитых излучением лазера из атомов. Подробности эксперимента описаны учеными в статье, опубликованной в последнем номере журнала Nature Photonics.
Такие измерения возможны только с помощью лазеров с излучением очень высокой частоты. А в данном случае необходимы лазеры, частота которых попадает в рентгеновский диапазон. Причем для подобных исследований пригодны только так называемые рентгеновские лазеры на свободных электронах. В них рентгеновское излучение возникает при движении ускоренного электронного пучка очень высокого качества по синусоиде под действием отклоняющих магнитных полей.
Подобное излучение обладает уникальной комбинацией свойств: когерентностью, большой яркостью, ультракороткими фемтосекундными импульсами, перестраиваемой частотой и поляризацией. Описываемый эксперимент проводился на лазере FERMI, установленном в международном исследовательском центре «Elettra Sincrotrone» в итальянском городе Триесте.
Проблема заключалась в том, что частоты излучения этого лазера не позволяют проводить наблюдения за аттосекундными изменениями, однако исследователи нашли выход из положения. В эксперименте они облучали атом неона излучением не одной длины волны, а сразу двух – 63,0 и 31,5 нанометров (10-9 м), различающихся в 2 раза. Меняя временную задержку между ними, ученые следили за изменением направления вылета фотоэлектронов. В результате, им удалось отследить вылет электронов с интервалом в три аттосекунды!
«Главный вывод, следующий из этого эксперимента, заключается в том, что это вообще в принципе возможно – контролировать квантовые процессы с точностью до нескольких аттосекунд», – говорит Елена Грызлова, одна из авторов работы.
Другая проблема, успешно решенная авторами работы, заключалась в том, что ранее разработанные методы для аналогичных исследований были неприменимы для столь высоких частот, ведь здесь нельзя использовать обычные для лазеров зеркала или поляризаторы.
Вклад российских ученых в успех этой работы значителен. Алексею Грум-Гржимайло (старшему) принадлежит идея метода измерений, а Елена Грызлова и Светлана Страхова рассчитали величину эффекта, чтобы понять, будет ли он наблюдаем в принципе, и получили выражения для извлечения нужных характеристик из экспериментально измеренных параметров.
«Двухцветные» лазерные измерения, по словам авторов статьи, открывают целое поле для исследований физики ультрабыстрых процессов и проведения ранее невозможных квантовых исследований.
«Мы ожидаем, – говорит Елена Грызлова, – что это направление будет развиваться и дальше, поскольку проблема осуществления квантового управления и контроля – один из краеугольных вопросов фундаментальной физики».
По материалам пресс-релиза МГУ
23 февраля 2016
Статьи по теме:
