🛁 🙋🏼 👨🏿‍🎨 قبض على إلكترون: مراقبة عملية تستغرق خمس ملايين من الثانية 🤞 ⚛️ 🧑🏽‍🤝‍🧑🏼

في ثانية واحدة ، تجري العديد من العمليات المتنوعة والسريعة جدًا حولنا وداخلنا. يستغرق الأمر 300 مللي ثانية فقط (0.3 ثانية) ليومض مرة واحدة ، و 30 ميكروثانية (0.00003 ثانية) كافية لضربة برق واحدة. مثل هذه العمليات السريعة مدهشة في مدتها القصيرة ، ولكن هناك أيضًا تلك التي يصعب تصور سرعتها.

يتم تنشيط تفاعلات كيميائية معينة عن طريق امتصاص الضوء. في اللحظات الأولى بعد الامتصاص ، يتغير توزيع الإلكترونات في الغلاف الإلكتروني للذرة ، مما يؤثر بشكل كبير على التفاعل المستمر ونتائجه. تحتل عمليات النقل الإلكترونية هذه فترة زمنية قصيرة بشكل لا يصدق ، غالبًا ما يتم قياسها بالثواني. وتساوي الثانية attosecond واحد من جزء من الثانية ، أي 0.000000000000000001 ثانية. إن تتبع مثل هذه العمليات السريعة أمر صعب للغاية ، ولكنه واقعي. اليوم سنتعرف على دراسة ابتكر فيها علماء من جامعة فرايبورغ (ألمانيا) تقنية جديدة تتيح مراقبة الاهتزازات الإلكترونية في الغلاف الإلكتروني لذرات الغازات النبيلة. ما هي التقنيات التي شكلت أساس الطريقة الجديدة وما الذي يمكن إصلاحه؟ سنجد إجابات في تقرير العلماء. اذهب.

واحدة من أهم الظواهر في العالم الكمي هي التماسك ، عندما يتم تنسيق العديد من العمليات الاهتزازية أو الموجية في الوقت المناسب. وفقا للعلماء ، فإن فهم التماسك يجعل من الممكن فهم العمليات المختلفة في الأنظمة الكمومية بشكل أفضل ، مثل الاضمحلال فائق السرعة أو تكوين الروابط.

من أجل دراسة الديناميات المتماسكة في الوقت الفعلي ، هناك حاجة إلى تقنيات فائقة السرعة مناسبة تستند إلى قياسات التداخل التي تمثل تطور المرحلة الاهتزازية للتماسك المتحمس. من وجهة نظر الإلكترونات ، تصبح هذه المشكلة ترتيبًا من حيث الحجم أكثر تعقيدًا ، حيث يتم تحجيم فترات التذبذب بشكل عكسي مع طاقة الإثارة ، وبالتالي ، تتطلب استقرار تزامن عالي للغاية في النطاق من attosecond إلى zeptosecond (10 ⁻²¹ج ، أي 0.000000000000000000001 ثانية). ومع ذلك ، من المستحيل استبعاد العمليات الإلكترونية ، لأنه في هذه الحالة لن تكون المعلومات المتعلقة بالنظام ككل كاملة.

قد يكون أحد خيارات حل المشكلة المذكورة أعلاه هو تمديد التحليل الطيفي المتماسك الذي تم حله بالوقت إلى الطاقات فوق البنفسجية القصوى * (XUV).

الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة * (XUV) - الإشعاع الكهرومغناطيسي في جزء من الطيف الكهرومغناطيسي بأطوال موجية من 124 نانومتر إلى 10 نانومتر ، عندما تكون طاقة الفوتون من 10 eV إلى 124 eV.

هذا سيسمح بالوصول إلى الحالات داخل الغلاف الإلكتروني للذرة ، وبالتالي ، إلى مراقبة عمليات attosecond.

على الرغم من المزايا النظرية لهذه التقنية ، هناك صعوبات معينة في تنفيذها. أحدها هو الافتقار إلى الاستقرار المطلوب للغاية ومخططات مطابقة المرحلة لعزل إشارات التماسك الضعيفة. وبسبب هذا ، في الممارسة العملية ، لم يتم تنفيذ طريقة XUV لدراسة التماسك الإلكتروني حتى الآن.

جانب آخر من تقنيات XUV مع إمكانات كبيرة هو القدرة على التحكم في التماسك. في طريقة البحث ثنائية اللون ، تم تحقيق التحكم في التماسك من خلال معالجة التأخير النسبي بين نبضات XUV. هناك أيضًا طريقة تعتمد على معالجة أطوار نبضات XUV.

تم تحقيق نجاحات معينة في هذا المجال. لذا ، أتاحت تقنية تكوين النبض ، المتوفرة فقط في نطاقات الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ، إنشاء دوائر تحكم متقدمة يمكن استخدامها في البصريات غير الخطية وفي إدارة التفاعلات الكيميائية. وفي طريقة XUV ، تم توضيح التلاعب بالطور جزئيًا عن طريق تغيير استقطاب مجال الإثارة.

ومع ذلك ، لم يتم تنفيذ المعالجة المباشرة لمرحلة وتأخير نبضة XUV في تسلسل النبض.

في العمل الذي نفكر فيه اليوم ، يقوم العلماء بتطبيق طريقة تعديل المرحلة لتسلسل نبضات XUV ، والتي تعمل على تحسين أدوات إدارة التماسك والتحليل الطيفي غير الخطي.

لتحقيق ذلك ، تم تحضير أزواج من نبضات XUV مع التحكم الكامل في تأخرها وطورها النسبي. تم استخدام ليزر إلكترون حر (FEL) FERMI.

الصورة رقم 1: الإعداد التجريبي.

يتم إنشاء نبضات فوق البنفسجية متزامنة في الطور باستخدام مقياس تداخل مستقر للغاية يعتمد على بنية متجانسة ويتم استخدامها للدمج في عملية FEL الرئيسية عن طريق توليد التوافقيات عالية المكاسب (HGHG). ونتيجة لذلك ، يتم الحصول على أزواج متماسكة تمامًا من نبضات XUV عند توافقي محدد من الطول الموجي الخلالي. قول مبالغ فيه ، هناك نبضة ليزر رئيسية وأخرى مانحة ، يتم إدخالها في النبضة الرئيسية لتشكيل زوج من نبضات XUV. الجيل التوافقي في هذه الحالة هو إضافة ترددات إشعاع الليزر ، عندما يتم امتصاص العديد من الإشعاع ، وينبعث واحد بتردد يساوي مجموع ترددات الاثنين الممتصين.

نتائج البحث

كما هو موضح في الدراسات السابقة ، من الممكن معالجة مرحلة XUV من خلال خصائص دفعة المانح. في هذه الدراسة ، كما يقول المؤلفون أنفسهم ، تم تحسين هذه الطريقة من خلال إدخال تحكم عالي الدقة ومنفصل في الطور ومزامنة أزواج نبضات XUV ، مع تجنب مشكلة تكوين الطور عند أطوال موجات XUV. للقيام بذلك ، استخدمنا AOM (المعدلات الصوتية البصرية) مع تزامن الطور ، والتي تتحكم في الطور النسبي ( ϕ ₂₁ = ϕ ₂ - ϕ ₁ ) من نبضة المانح. في مرحلة HGHG ، تنتقل المرحلة المزروعة إلى تحول طور محدد جيدًا n ₂₁ للنبضات XUV بواسطة n- توافقي يسمح لك بمعالجة المرحلة نفسها بمرونة ( 2 أ ).

الصورة رقم 2: التلاعب بمرحلة XUV.

يتم إظهار التحكم في طور XUV من خلال التحكم في طور نطاقات تداخل XUV لطاقات الفوتون حتى 47.5 eV ( 2b و 2 c ). يشير الاستقرار العالي الموضح في التداخلات إلى أن التقلبات غير المهمة تحدث بالفعل في مرحلة HGHG ، ولكن ليس في مرحلة توليد أزواج النبض.

في مرحلة HGHG ، تؤدي الاختلافات الزمنية بين نبضة المانح وتدفق الإلكترون (حوالي 42 fs) إلى تذبذبات طور نبضات XUV الناتجة بسبب إشارة الطاقة المتبقية LFM (تعديل التردد الخطي) لحزمة الإلكترون.

أول "تجريبي" كان الهليوم. قرر العلماء إثبات عملية تتبع التطور الزمني لترابطات الإلكترونات الأتو ثانية مع تسلسلات معدلة الأطوار من نبضات XUV.

شكل 3: التماسك الإلكتروني XUV في الهليوم.

النموذج قيد النظر في 3a هو انتقال 1s ² → 1s4p في الهيليوم. أول نبضة XUV تخلق تراكبًا متماسكًا لحالات الأرض والحماس (حزمة الموجة الإلكترونية أو WP الإلكترونية) ، المشار إليها بواسطة | ψ ( τ )⟩.

نبض XUV الثاني متخلفًا عن النبض الأول في الوقت المحدد ( τ) ، تقوم هذه WP بإسقاط الحالة الثابتة لمجموع الإلكترون ، والتي يتم قياسها عن طريق تأين حالة 1s4p بواسطة نبض NIR ( بالقرب من الأشعة تحت الحمراء ، أي بالقرب من الأشعة تحت الحمراء) ، مما يعطي الإشارة:

S ∝ ⟨ψ (τ) | 1s4p⟩ = A (τ) ^{eiϕ (τ)} ، حيث تشير A (τ) إلى السعة و ϕ (τ) هي تطور طور WP.

وفقًا لطاقة الانتقال 1s ² → 1s4p تساوي E = 23.74 eV ، تتأرجح الإشارة مع فترة h / E = 174 ac (ac - attosecond) ، والتي تتطلب استقرارًا عاليًا للغاية في مسبار الضخ ( δτ <20 ac) للحصول على البيانات.

لحل هذه المشكلة ، تم استخدام مخطط دوري الطور. من خلال الجمع بين تعديل الطور لكل من نبضات XUV مع الكشف المتزامن للطور ، يمكنك تقليل فترة تذبذب الإشارة بأكثر من 50 مرة وإزالة معظم "ارتعاش الطور" من الإشارة. يوضح

الرسم البياني 3 ب الوقت التداخل المسجل أثناء إثارة الهيليوم. ويعرض التذبذبات الدورية الخالصة للورق الإلكترون الأوتوسي المستحث ، والذي يتوافق جيدًا مع النموذج النظري ( 3 ج ). على الرغم من طاقة FEL المطبقة منخفضة نسبيًا (≤30 nJ) وكثافة ذرية منخفضة في العينة ، تم الحصول على بيانات دقيقة. هذا يشير إلى وجود نسبة إشارة إلى ضوضاء ممتازة وحساسية عالية للتقنية حتى في ظل الظروف الصعبة لأطوال موجات XUV.

بالإضافة إلى ذلك ، تسمح جودة الإشارة بتحليل فورييه المباشر للحصول على معلومات طيفية ( 3d ). إن الإعداد الدقيق لتدفق الإلكترون بالاقتران مع انخفاض كبير في الوقت لالتقاط البيانات جعل من الممكن تتبع تذبذبات WP حتى 700 fs (fs - femtosecond).

أصبحت أبحاث الهليوم نموذجًا لنظام كمومي غير منزعج يوضح تماسك الإلكترون طويل الأمد والتشديد الطفيف. بعد الهليوم ، بدأ الباحثون في التفكير في الأرجون ، وبشكل أكثر دقة ، الانتقال 3s ² 3p ⁶ → 3s ¹ 3p ⁶ 6p ¹ في الأرجون.

شكل 4: تغيير فوري لرنين فانو في الأرجون.

تتصل أزواج المدارات ذات التكافؤ 6p بـ * Ar ⁺متصلة من خلال تفاعل التهيئة ( 4 أ ) ، مما يؤدي إلى التحول الذاتي * ، مما يؤدي بدوره إلى إعادة تأكيد كبيرة.

Continuum * هو وسيط مستمر حيث تتم دراسة العمليات في ظروف خارجية مختلفة.

Autoionization * - التأين التلقائي لذرة أو جزيء أو جزيء جزيئي في حالة متحمس.

توضح الرسوم البيانية على 4b العابرين المسجلين في المجال الزمني الذي تم الحصول منه على إشارة WP المعقدة S ( τ ) = A (τ) ^{eiϕ (τ)} . في هذه الحالة ، يعكس توهين الإشارة نفق WP في السلسلة المتصلة. يرتبط تحويل فورييه S ( ω ) لمثل هذه الإشارة ارتباطًا وثيقًا بقابلية العينة x ( ω ) ∝ iS ( ω ) /. لذلك ، من الممكن الحصول في نفس الوقت على منحنيات الامتصاص والتشتت للرنين ( 4 ج ).

لمعرفة أكثر تفصيلا عن الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية لها.

الخاتمة

خلاصة القول ، يمكننا القول أن العلماء تمكنوا بنجاح كبير من تحقيق خطتهم - لإنشاء طريقة جديدة للتحليل الطيفي المتماسك للغاية على أساس التذبذبات الدورية الطورية. وبالتالي ، تمكنوا من تتبع وتسجيل تطور WP الإلكترونية ، التي تتم على مقياس زمني أتوسي.

ساعد تسلسل معد بشكل خاص من نبضات ليزر فائقة القصر في نطاق الأشعة فوق البنفسجية على ليزر إلكتروني خالٍ من FERMI على تنفيذ هذه التقنية. كان للبقول علاقات طور معينة بالنسبة لبعضها البعض وتم فصلها بفاصل زمني محدد بدقة. بدأت النبضة الأولى العملية في الغلاف الإلكتروني (عملية الضخ). درس الدافع الثاني حالة القشرة بعد ذلك بقليل (عملية الاستشعار). من خلال تغيير الفاصل الزمني ونسبة الطور ، يمكن للباحثين استخلاص استنتاجات حول تطور الوقت في غلاف الإلكترون.

خلال تجربة عملية مع الأرجون كعينة ، تم تتبع عملية سريعة للغاية وبالكاد يمكن ملاحظتها. في الأرجون ، تسبب نبض المضخة في تكوين خاص لاثنين من الإلكترونات داخل القشرة الذرية. تفسد هذا التكوين بطريقة تركت إلكترونًا الذرة في وقت قصير جدًا ، والتي أصبحت في النهاية أيونًا. كانت عملية انفصال الإلكترون هذه هي التي تمكن العلماء من إصلاحها. وإذا أخذنا في الاعتبار أن هذه العملية تستغرق حوالي 120 attoseconds ، فيمكن اعتبار هذه التجربة ناجحة للغاية.

في المستقبل ، يخطط العلماء لتحسين منهجيتهم وتطبيقها لدراسة العمليات السريعة الأخرى. ووفقًا للمؤلفين ، فإن عملهم سيوفر معلومات إضافية بشأن العمليات التي تم وصفها سابقًا فقط على أساس النماذج النظرية.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم أسبوع عمل جيد يا رفاق. :)

القليل من الدعاية :)

أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك VPS القائم على السحابة للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟

قبض على إلكترون: مراقبة عملية تستغرق خمس ملايين من الثانية

نتائج البحث

الخاتمة

القليل من الدعاية :)

More articles: