Ученые зафиксировали самый короткий временной интервал

30.06.2010

При поглощении света атомами, электроны переходят в возбужденное состояние. Если частицы света, фотоны, несут достаточное количество энергии, электрон может покинуть атом. Этот эффект известен как фотоэмиссия и был описан Эйнштейном более 100 лет назад. До сих пор считалось, что сразу же после воздействия фотонов электроны начинают двигаться от атома. Этот момент может быть обнаружен, и до сих пор считалось, что он совпадает с моментом достижения световым импульсом атома, то есть время взаимодействия излучения с веществом - "нулевое время" (time zero). Применив собственную технологию измерения ультракоротких временных промежутков, физики из Лаборатории аттосекундной физики (LAP) Института квантовой оптики им. Макса Планка (MPQ), Университета Людвига-Максимилиана (LMU) в Мюнхене и Мюнхенского Технического Университета (TUM), наряду с их коллегами из Австрии, Греции, Саудовской Аравии, в настоящее время проверили это предположение. Результаты проведенных ими измерений показали, что электроны различных атомных орбиталей, возбужденные одновременно импульсом света, оставляют атом с небольшой, но измеримой задержкой порядка 20 аттосекунд. Одна аттосекунда равна одной миллиардной от одной миллиардной секунды (10⁻¹⁸ сек). Эти новые данные опровергают предположение, что электроны покидают атом моментально после прихода импульса света. Статья исследователей опубликована в журнале “Science” от 25 июня и даже вынесена на его обложку.

В своих экспериментах физики «выстреливали» по атомам инертных газов короткими лазерными импульсами длительностью менее 4 фемтосекунд (10^-15 секунд) и близкими к инфракрасному спектру. Одновременно атомы подвергались воздействию импульсов крайне ультрафиолетового спектра длительностью менее 200-аттосекунд, освобождающих электроны с их атомных орбиталей. Аттосекундные вспышки высвобождали электроны либо с внешних 2p-орбиталей, либо с внутренних 2s-орбиталей атома. С помощью контролируемой области синхронизированных лазерных импульсов, выступающих в качестве "аттосекундного хронографа", физики фиксировали момент покидания возбужденным электроном атома.

Измерения показали, что, несмотря на мгновенное возбуждение электронов, они покидают атомы с задержкой около 20 аттосекунд. «Одни электроны покидают атом раньше других. Поэтому мы смогли показать, что электроны немного "мешкают" после возбуждения светом, прежде чем они покидают атом», - поясняет д-р Мартин Шульц (Martin Schultze), аспирант в команде LAP.

Определение причины этой задержки также явилось серьезным вызовом для теоретиков LAP, д-ра Владислава Яковлева и его коллег из Венского технологического университета (Австрия) и Национального научно-исследовательского фонда Греции (Греция). Несмотря на сложные вычисления, теоретически получается подтвердить эффект задержки только на пять аттосекунд. Причина такого расхождения с результатами опыта может объясняться сложностью атома неона, который помимо ядра состоит из 10 электронов. «На сегодняшний день, необходимые для моделирования подобных многоэлектронных систем вычислительные ресурсы превышают возможности современных суперкомпьютеров», - объясняет Яковлев.

Тем не менее, эти исследования уже указывают на вероятную причину «колебания» электронов: электроны взаимодействуют не только с ядром своего атома, но также влияют и друг на друга. «Наличие взаимодействия электрон-электрон может означать, что необходимо некоторое время, прежде чем возбужденный пучком света электрон будет «отпущен» другими электронами атома», - считает Шульц и Яковлев с ним соглашается.

«Эти пока плохо объяснимые взаимодействия имеют существенное влияние на движение электрона в мельчайших размерностях, которые, тем не менее, определяют ход всех биологических и химических процессов, не говоря уже о скорости микропроцессоров, которые лежат в основе компьютеров», - объясняет Ференц Крауз (Ferenc Krausz). «Наши исследования пролили свет на взаимодействие электронов друг с другом на атомном уровне».

Быстрейшая измерительная техника в мире, только-только приближается к рассматриваемым интервалам времени, но на данный момент, зафиксированная 20-аттосекундная задержка выброса электронов из атома - кратчайший промежуток времени в природных процессах, который когда-либо был измерен.

 

Аттосекундная экспериментальная камера. Фотоэмиссия электронов под воздействием аттосекундных импульсов света (голубой луч) реализуется с помощью ультракоротких лазерных импульсов видимого спектра (показан как красный луч), управляющих движением электронов. Эти аттосекундные полосы означают, что электроны различных атомных орбиталей выпускаются с опозданием, сравнимым с атомной единицей времени.

Фотоэмиссия. Смоделированный вид на аттосекундные фотоэмиссии электронов: аттосекундные фотоэмиссии электронов с двух различных атомных орбиталей были захвачены световой волной (желтая линия). Полученное изображение аттосекундных полос (показаны красными участками поверхности) выявляет неожиданные задержки в фотоэмиссии.

Оригинальная статья "Delay in Photoemission" опубликована в журнале “Science” (DOI: 10.1126/science.1189401, 25. Juni 2010).

При подготовке данной статьи использованы материалы пресс-релиза Института квантовой оптики им. Макса Планка (www.mpg.de)