Umělecký koncept atmosférického pohybu.
Vědci v Japonsku pozorovali a narušili ultrarychlý pohyb elektronů v xenonu atom pomocí koherentních párů krátkých světelných vln v synchrotronovém záření. Xenon, skládající se z jádra obklopeného pěti vnořenými skořápkami s celkem 54 elektrony, se používá ve výbojkách a hoří jasně a rychle. Luminiscenční elektrony se tam pohybují v časovém měřítku miliardtiny sekundy. Rychlý pohyb elektronů je však o šest řádů pomalejší, než jaký pozorovali vědci. S pomocí synchrotronového zařízení v Ústavu pro molekulární vědu sledovali pohyb elektronů v relaxaci, aby ztratili energii pádem z vnějšího pláště do vnitřního pláště. Proces probíhá v období femtosekund nebo miliontiny miliardtiny sekundy. Femtosekunda trvá sekundu, sekundu téměř 32 milionů let. Podle výzkumníků by schopnost pozorovat a řídit takové ultrarychlé procesy mohla otevřít dveře experimentům a aplikacím nové generace.
Výsledky byly dnes (17. března 2021) zveřejněny v Dopisy o fyzickém vyšetření.
Obr. 1. (a) Schematické znázornění generování synchrotronového záření undulatory. Časové šířky radiačních pulzů jsou určeny prostorovým rozšířením svazků elektronů. (b) Radiační impuls obsahuje mnoho krátkých vln (vlnových paketů), které jsou emitovány jednotlivými elektrony. V této studii jsou dva undulatory uspořádány do série za účelem vytvoření párů vlnových paketů. Každý vlnový paket osciluje pouze 10krát za 2 femtosekundy. Časové intervaly párů vlnových paketů se nastavují odkloněním elektronových svazků magnetem mezi dva undulatory. Image Credit: NINS / IMS
„Řízení a studium elektronického pohybu v atomech a molekulách v jejich přirozeném attosekundovém časovém měřítku – což je tisícina femtosekundové – je jednou z hranic atomové a attosekundové fyziky,“ uvedl autor článku Tatsuo Kaneyasu, výzkumný pracovník světelného zdroje SAGA, Kyushu Synchrotron Centrum pro výzkum světla v Japonsku. „V této studii jsme prokázali, že ultrakrátké procesy v atomech a molekulách lze vysledovat pomocí ultrakrátké vlastnosti balíčku radiačních vln.“
Nedávný pokrok v laserové technologii nám umožňuje vytvářet ultrarychlé nebo ultrakrátké dvojité pulsy světla, které mohou interagovat s subatomárními procesy. Tuto poruchu lze ovládat přesným nastavením času mezi jednotlivými pulsy. Pulz vzrušuje elektrony, jejichž pohyb se nazývá paket elektronových vln. Kaneyasu a jeho tým dosáhli této technologie pomocí synchrotronového záření, které má velkou výhodu při generování fotonů s vyšší energií než lasery.
„Tato metoda, známá jako„ vlnová paketová interferometrie “, je nyní základním nástrojem pro studium a manipulaci s kvantovou dynamikou hmoty,“ řekl Kaneyasu. „V této studii byl paket elektronových vln generován superponováním některých elektronických stavů do atomu xenonu.“
2. Horní pole ukazuje intenzitu fluorescence z excitovaných stavů vnitřního obalu atomů xenonu, měřenou s měnícími se časovými intervaly párů vlnových paketů. Pole níže ukazují zvětšené pohledy v pozicích aab v horní oblasti. Jsou pozorovány fluktuace s periodou 63 attosekund v důsledku interferenčního efektu mezi kvantovými stavy buzenými páry vlnových paketů. Jak se časový interval mezi dvěma vlnovými pakety v páru zvyšuje, klesá amplituda fluktuace v důsledku elektronické relaxace excitovaných stavů vnitřního obalu. Image Credit: NINS / IMS
Podobně jako dva překrývající se paprsky mohou produkovat intenzivnější světlo, než oba jednotlivě vyzařují, dva překrývající se pakety elektronových vln produkují kvantové efekty.
„Konečným cílem je řídit a studovat ultrarychlý elektronický pohyb nejrůznějších prvků, nejen atomů a molekul v plynné fázi, ale také v kondenzované hmotě,“ řekl Kaneyasu. „Tato nová schopnost synchrotronového záření nejen pomáhá vědcům zkoumat ultrarychlé jevy v atomových a molekulárních procesech, ale také může v budoucnu otevřít nové aplikace ve vývoji funkčních materiálů a elektronických zařízení.“
Reference: 17. března 2021, Dopisy o fyzickém vyšetření.
Spoluautoři jsou Y. Hikosaka, Institut svobodných umění a věd, Univerzita Toyama; a M. Fujimoto, H. Iwayama a M. Katoh, Ústav molekulární vědy. Fujimoto a Iwayama jsou také přidruženi k Graduate University for Advanced Studies. Katoh je také přidružen k Hirošimskému synchrotronovému radiačnímu centru na Hirošimské univerzitě.
Projekt Frontier Photonic Sciences Project of the National Institutes of Natural Sciences and the Japan Society for the Promotion of Science financoval tuto práci.