👩‍❤️‍👩 ✍🏼 🏎️ Fangen Sie ein Elektron: Beobachten Sie einen Prozess, der eine Quintillionstelsekunde dauert 🌺 🧣 😜

In einer Sekunde finden viele verschiedene und sehr schnelle Prozesse um und in uns statt. Das einmalige Blinken dauert nur 300 Millisekunden (0,3 s), und 30 Mikrosekunden (0,00003 s) reichen für einen Blitzschlag aus. Solche schnellen Prozesse fallen in ihrer kurzen Dauer auf, aber es gibt auch solche, deren Geschwindigkeit schwer vorstellbar ist.

Bestimmte chemische Reaktionen werden durch Absorption von Licht aktiviert. In den ersten Augenblicken nach der Absorption ändert sich die Verteilung der Elektronen in der Elektronenhülle des Atoms, was die laufende Reaktion und deren Ergebnis stark beeinflusst. Diese elektronischen Transpositionen nehmen eine unglaublich kurze Zeitspanne ein, die oft in Attosekunden gemessen wird. Und eine Attosekunde entspricht einer Quintillionstelsekunde, d.h. 0,000000000000000001 Sekunden. Das Verfolgen derart schneller Prozesse ist äußerst schwierig, aber realistisch. Heute werden wir eine Studie kennenlernen, in der Wissenschaftler der Universität Freiburg eine neue Technik entwickelt haben, mit der Elektronenschwingungen in der Elektronenhülle von Edelgasatomen in Echtzeit beobachtet werden können. Welche Technologien bildeten die Grundlage der neuen Methode und was konnte behoben werden? Antworten finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.

Eines der wichtigsten Phänomene in der Quantenwelt ist die Kohärenz, wenn mehrere Schwingungs- oder Wellenprozesse zeitlich koordiniert werden. Laut Wissenschaftlern ermöglicht das Verständnis der Kohärenz ein besseres Verständnis der verschiedenen Prozesse in Quantensystemen wie dem ultraschnellen Zerfall oder der Bildung von Bindungen.

Um die kohärente Dynamik in Echtzeit zu untersuchen, sind geeignete ultraschnelle Techniken erforderlich, die auf interferometrischen Messungen basieren, die die Entwicklung der Schwingungsphase angeregter Kohärenzen darstellen. Aus Sicht der Elektronen wird dieses Problem um eine Größenordnung komplizierter, da die Schwingungsperioden umgekehrt mit der Anregungsenergie skaliert werden und daher eine extrem hohe Synchronisationsstabilität im Bereich von Attosekunde bis Zeptosekunde (10 ⁻²¹⁾ erfordernc, d.h. 0,000000000000000000001 Sekunden). Es ist jedoch unmöglich, elektronische Prozesse auszuschließen, da in diesem Fall die Informationen über das gesamte System unvollständig sind.

Eine der Möglichkeiten zur Lösung des obigen Problems kann die Ausweitung der zeitaufgelösten kohärenten Spektroskopie auf extreme ultraviolette Energien * (XUV) sein.

Extremes Ultraviolett * (XUV) - elektromagnetische Strahlung im Teil des elektromagnetischen Spektrums mit Wellenlängen von 124 nm bis 10 nm, wenn die Photonenenergie zwischen 10 eV und 124 eV liegt.

Dies ermöglicht den Zugang zu den Zuständen innerhalb der Elektronenhülle des Atoms und damit zur Beobachtung von Attosekundenprozessen.

Trotz der theoretischen Vorteile dieser Technik gibt es gewisse Schwierigkeiten bei ihrer Implementierung. Eines davon ist das Fehlen der erforderlichen Schemata für ultrahohe Phasenstabilität und Phasenanpassung, um schwache Kohärenzsignale zu isolieren. Aus diesem Grund wurde diese XUV-Methode zur Untersuchung der elektronischen Kohärenz in der Praxis noch nicht implementiert.

Ein weiterer Aspekt der XUV-Technik mit großem Potenzial ist die Fähigkeit, die Kohärenz zu steuern. Bei der bichromatischen Forschungsmethode wurde die Kohärenzkontrolle durch Manipulieren der relativen Verzögerung zwischen zwei XUV-Impulsen erreicht. Es gibt auch ein Verfahren, das auf der Manipulation der Phasen der XUV-Impulse basiert.

In diesem Bereich wurden gewisse Erfolge erzielt. Die Technologie der Impulsbildung, die nur im Infrarot- und Ultraviolettbereich verfügbar ist, hat die Schaffung fortschrittlicher Steuerschaltungen ermöglicht, die in der nichtlinearen Optik und beim Management chemischer Reaktionen eingesetzt werden können. Bei der XUV-Methode wurde die Phasenmanipulation teilweise durch Ändern der Polarisation des Anregungsfelds demonstriert.

Eine direkte Manipulation der Phase und Verzögerung des XUV-Impulses in der Impulsfolge wurde jedoch noch nicht implementiert.

In der Arbeit, die wir heute betrachten, implementieren Wissenschaftler eine Phasenmodulationsmethode für Sequenzen von XUV-Impulsen, die Kohärenzkontrollwerkzeuge und kohärente nichtlineare Spektroskopie verbessert.

Um dies zu realisieren, wurden Paare von XUV-Impulsen mit voller Kontrolle über ihre Verzögerung und relative Phase hergestellt. Ein FERMI mit freiem Elektronenlaser (FEL) wurde verwendet.

Bild Nr. 1: Versuchsaufbau.

Phasensynchronisierte Ultraviolettimpulse werden unter Verwendung eines hochstabilen Interferometers auf der Basis einer monolithischen Struktur erzeugt und zur Erzeugung in den Haupt-FEL-Prozess durch Erzeugen von Harmonischen mit hoher Verstärkung (HGHG) verwendet. Infolgedessen werden vollständig kohärente Paare von XUV-Impulsen bei einer spezifischen Harmonischen der interstitiellen Wellenlänge erhalten. Übertrieben gesagt, es gibt einen Hauptlaserpuls und einen Donorpuls, der in den Hauptpuls eingeführt wird, um ein Paar von XUV-Impulsen zu bilden. Die Oberwellenerzeugung ist in diesem Fall die Addition der Frequenzen der Laserstrahlung, wenn mehrere Strahlen absorbiert werden, und eine wird mit einer Frequenz emittiert, die gleich der Summe der Frequenzen der beiden absorbierten ist.

Forschungsergebnisse

Wie in früheren Studien beschrieben, ist es möglich, die XUV-Phase durch die Eigenschaften eines Spenderimpulses zu manipulieren. In dieser Studie wurde diese Methode, wie die Autoren selbst sagen, verbessert, indem eine hochpräzise, separate Phasensteuerung und Synchronisation von Paaren von XUV-Impulsen eingeführt wurde, während das Problem der Phasenbildung bei XUV-Wellenlängen vermieden wurde. Dazu verwendeten wir zwei AOM (akustooptische Modulatoren) mit Phasensynchronisation, die die relative Phase ( ϕ ₂₁ = ϕ ₂ - ϕ ₁ ) des Donorimpulses steuern . Im HGHG-Stadium geht die implantierte Phase für die Impulse XUV um n zu einer genau definierten Phasenverschiebung nϕϕ ₂₁ über-th Harmonische, mit der Sie die Phase selbst flexibel manipulieren können ( 2a ).

Bild 2: XUV-Phasenmanipulation.

Die Steuerung der XUV-Phase wird durch die Steuerung der Phase der XUV-Interferenzbänder für Photonenenergien bis zu 47,5 eV ( 2b und 2c ) demonstriert . Die in den Interferogrammen gezeigte hohe Stabilität zeigt, dass unbedeutende Schwankungen bereits im HGHG-Stadium auftreten, jedoch nicht im Stadium der Erzeugung von Impulspaaren.

Im HGHG-Stadium führen die zeitlichen Unterschiede zwischen dem Donorimpuls und dem Elektronenfluss (ungefähr 42 fs) aufgrund des LFM-Signals der Restenergie (lineare Frequenzmodulation) des Elektronenstrahls zu Phasenschwingungen der erzeugten XUV-Impulse.

Das erste "Experiment" war Helium. Die Wissenschaftler beschlossen, den Prozess der Verfolgung der zeitlichen Entwicklung von Attosekunden-Elektronenkohärenzen mit phasenmodulierten Sequenzen von XUV-Impulsen zu demonstrieren.

Bild 3: Elektronische XUV-Kohärenz in Helium.

Das bei 3a betrachtete Modell ist ein 1s ² → 1s4p-Übergang in Helium. Der erste XUV-Impuls erzeugt eine kohärente Überlagerung des Grundzustands und des angeregten Zustands (elektronisches Wellenpaket oder elektronisches WP), bezeichnet mit | ψ ( τ )⟩.

Zweiter XUV-Impuls, der um die eingestellte Zeit ( τ) hinter dem ersten zurückbleibt) projiziert dieses WP auf den stationären Zustand der Elektronenpopulation, der durch Ionisieren des 1s4p-Zustands durch einen NIR-Impuls ( nahes Infrarot , d. h. nahes Infrarot) gemessen wird , wobei das Signal erhalten wird:

S ∝ ⟨ψ (τ) | 1s4p⟩ = A (τ) ^{eiϕ (τ)} , wobei A (τ) die Amplitude bezeichnet und ϕ (τ) die Phasenentwicklung von WP ist.

Entsprechend der Übergangsenergie 1s ² → 1s4p gleich E = 23,74 eV schwingt das Signal mit einer Periode h / E = 174 ac (ac - Attosekunde), die eine extrem hohe Pump-Probe-Stabilität ( δτ <20 ac) erfordert , um Daten zu erhalten.

Um dieses Problem zu lösen, wurde ein phasenzyklisches Schema verwendet. Durch die Kombination der Phasenmodulation beider XUV-Impulse mit der phasensynchronen Erkennung können Sie die Signaloszillationsperiode um mehr als das 50-fache reduzieren und den größten Teil des Phasen- "Jitters" aus dem Signal entfernen.

Grafik 3b zeigt das Zeitinterferogramm, das während der Heliumanregung aufgezeichnet wurde. Es zeigt die reinen periodischen Schwingungen des induzierten Attosekundenelektronens WP, was gut mit dem theoretischen Modell ( 3c ) übereinstimmt . Trotz der relativ geringen angelegten FEL-Energie (≤ 30 nJ) und der geringen Atomdichte in der Probe wurden genaue Daten erhalten. Dies zeigt das Vorhandensein eines ausgezeichneten Signal-Rausch-Verhältnisses und einer hohen Empfindlichkeit der Technik auch unter schwierigen Bedingungen von XUV-Wellenlängen an.

Zusätzlich ermöglicht die Signalqualität eine direkte Fourier-Analyse, um Spektralinformationen ( 3d ) zu erhalten. Eine sorgfältige Vorbereitung des Elektronenflusses in Verbindung mit einer signifikanten Verkürzung der Zeit für die Datenerfassung ermöglichte die Verfolgung von WP-Schwingungen bis zu 700 fs (fs - Femtosekunden).

Die Heliumforschung ist zu einem Modell für ein ungestörtes Quantensystem geworden, das langlebige Elektronenkohärenz und leichte Dephasierung demonstriert. Nach Helium begannen die Forscher, Argon und genauer den 3s ² 3p ⁶ → 3s ¹ 3p ⁶ 6p ¹ -Übergang in Argon zu betrachten.

Bild 4: Echtzeit-Dephasierung der Fano-Resonanz in Argon.

6p-Valenz-Orbitalpaare verbinden sich über die Konfigurationswechselwirkung ( 4a ) mit dem * Ar ⁺ -Kontinuum, was zur Autoionisierung * führt, was wiederum zu einer signifikanten Dephasierung führt.

Kontinuum * ist ein kontinuierliches Medium, in dem Prozesse unter verschiedenen äußeren Bedingungen untersucht werden.

Autoionisierung * - spontane Ionisierung eines Atoms, Moleküls oder Molekülteilchens in angeregtem Zustand.

Die Graphen auf 4b zeigen die aufgezeichneten Transienten in dem Zeitbereich, aus dem das komplexe WP-Signal S ( τ ) = A (τ) ^{eiϕ (τ)} erhalten wurde . In diesem Fall spiegelt die Signaldämpfung das Tunneln von WP in das Kontinuum wider. Die Fourier-Transformation S ( ω ) eines solchen Signals hängt stark mit der Suszeptibilität der Probe x ( ω ) ∝ iS ( ω ) / zusammen. Daher ist es möglich, gleichzeitig die Absorptions- und Dispersionskurven der Resonanz ( 4c ) zu erhalten.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und Wissenschaftlern zu lesenzusätzliche Materialien dazu.

Epilog

Zusammenfassend können wir sagen, dass es den Wissenschaftlern recht erfolgreich gelungen ist, ihren Plan zu verwirklichen - eine neue Methode der ultrapräzisen kohärenten Spektroskopie auf der Grundlage phasenzyklischer Schwingungen zu entwickeln. Auf diese Weise konnten sie die Entwicklung des elektronischen WP verfolgen und aufzeichnen, die auf einer Attosekunden-Zeitskala stattfindet.

Die Technik wurde durch speziell vorbereitete Sequenzen von zwei ultrakurzen Laserpulsen im ultravioletten Bereich unter Verwendung eines FERMI-Freie-Elektronen-Lasers unterstützt. Die Impulse hatten bestimmte Phasenbeziehungen relativ zueinander und waren durch ein genau definiertes Zeitintervall getrennt. Der erste Impuls startete den Prozess in der Elektronenhülle (Pumpprozess). Der zweite Impuls untersuchte den Zustand der Schale etwas später (Erfassungsprozess). Durch Änderung des Zeitintervalls und des Phasenverhältnisses konnten die Forscher Rückschlüsse auf die zeitliche Entwicklung in der Elektronenhülle ziehen.

Während eines praktischen Experiments mit Argon als Probe wurde ein extrem schneller und kaum wahrnehmbarer Prozess verfolgt. In Argon verursachte der Pumpimpuls eine spezielle Konfiguration von zwei Elektronen innerhalb der Atomhülle. Diese Konfiguration zerfiel so, dass ein Elektron in sehr kurzer Zeit das Atom verließ und schließlich zu einem Ion wurde. Es war dieser Prozess der Elektronenablösung, den Wissenschaftler beheben konnten. Und wenn wir berücksichtigen, dass dieser Prozess etwa 120 Attosekunden dauert, kann ein solches Experiment als äußerst erfolgreich bezeichnet werden.

In Zukunft planen Wissenschaftler, ihre Methodik zu verbessern und sie anzuwenden, um andere schnelle Prozesse zu untersuchen. Laut den Autoren wird ihre Arbeit zusätzliche Informationen zu Prozessen liefern, die zuvor nur auf der Grundlage theoretischer Modelle beschrieben wurden.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)

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