Get best of the week

Atrapa un electrón: observa un proceso que toma una quintillonésima de segundo



En un segundo, muchos procesos diversos y muy rápidos tienen lugar alrededor y dentro de nosotros. Solo se necesitan 300 milisegundos (0.3 s) para parpadear una vez, y 30 microsegundos (0.00003 s) son suficientes para un rayo. Tales procesos rápidos son sorprendentes en su corta duración, pero también hay aquellos cuya velocidad es difícil de imaginar.

Ciertas reacciones químicas son activadas por la absorción de luz. En los primeros momentos después de la absorción, la distribución de electrones en la capa de electrones del átomo cambia, lo que afecta en gran medida la reacción en curso y su resultado. Estas transposiciones electrónicas ocupan un período de tiempo increíblemente corto, a menudo medido en attosegundos. Y un attosegundo es igual a una quintillonésima de segundo, es decir 0.000000000000000001 segundos. El seguimiento de procesos tan rápidos es extremadamente difícil, pero de manera realista. Hoy nos familiarizaremos con un estudio en el que científicos de la Universidad de Friburgo (Alemania) crearon una nueva técnica que permite la observación en tiempo real de las vibraciones electrónicas en la capa electrónica de átomos de gases nobles. ¿Qué tecnologías formaron la base del nuevo método y qué podría arreglarse? Encontraremos respuestas en el informe de los científicos. Vamos.


Uno de los fenómenos más importantes en el mundo cuántico es la coherencia, cuando varios procesos vibracionales u ondulados se coordinan en el tiempo. Según los científicos, comprender la coherencia permite comprender mejor varios procesos en sistemas cuánticos, como la desintegración ultrarrápida o la formación de enlaces.

Para estudiar dinámicas coherentes en tiempo real, se necesitan técnicas ultrarrápidas apropiadas basadas en mediciones interferométricas que representen la evolución de la fase vibratoria de las coherencias excitadas. Desde el punto de vista de los electrones, este problema se vuelve un orden de magnitud más complicado, ya que los períodos de oscilación se escalan inversamente con la energía de excitación y, por lo tanto, requieren una estabilidad de sincronización extremadamente alta en el rango de attosegundo a zeptosegundo (10 −21c, es decir 0.000000000000000000001 segundos). Sin embargo, es imposible excluir los procesos electrónicos, porque en este caso la información sobre el sistema en su conjunto estará incompleta.

Una de las opciones para resolver el problema anterior puede ser la extensión de la espectroscopía coherente resuelta en el tiempo a las energías ultravioletas extremas * (XUV).
Ultravioleta extrema * (XUV): radiación electromagnética en la parte del espectro electromagnético con longitudes de onda de 124 nm a 10 nm, cuando la energía del fotón es de 10 eV a 124 eV.
Esto permitirá el acceso a los estados dentro de la capa de electrones del átomo y, por lo tanto, a la observación de procesos de attosegundos.

A pesar de las ventajas teóricas de esta técnica, existen ciertas dificultades en su implementación. Uno de ellos es la falta de la estabilidad de fase ultraalta requerida y los esquemas de coincidencia de fase para aislar señales de coherencia débiles. Debido a esto, en la práctica, este método XUV para estudiar la coherencia electrónica aún no se ha implementado.

Otro aspecto de la técnica XUV con gran potencial es la capacidad de controlar la coherencia. En el método de investigación bicromática, el control de coherencia se logró mediante la manipulación del retraso relativo entre dos pulsos XUV. También hay un método basado en la manipulación de las fases de los pulsos XUV.

Se han logrado ciertos éxitos en esta área. Por lo tanto, la tecnología de formación de pulso, disponible solo en los rangos infrarrojo y ultravioleta, ha permitido la creación de circuitos de control avanzados que pueden usarse en óptica no lineal y en el manejo de reacciones químicas. Y en el método XUV, la manipulación de fase se demostró parcialmente al cambiar la polarización del campo de excitación.

Sin embargo, la manipulación directa de la fase y el retraso del pulso XUV en la secuencia del pulso aún no se ha implementado.

En el trabajo que estamos considerando hoy, los científicos están implementando un método de modulación de fase para secuencias de pulsos XUV, que mejora las herramientas de control de coherencia y la espectroscopía no lineal coherente.

Para darse cuenta de esto, se prepararon pares de pulsos XUV con control total sobre su retraso y fase relativa. Se usó un láser de electrones libre (FEL) FERMI.


Imagen No. 1: configuración experimental.

Los pulsos ultravioleta sincronizados en fase se crean utilizando un interferómetro altamente estable basado en una estructura monolítica y se utilizan para incorporar al proceso FEL principal mediante la generación de armónicos de alta ganancia (HGHG). Como resultado, se obtienen pares de pulsos XUV completamente coherentes en un armónico específico de la longitud de onda intersticial. Dicho de manera exagerada, hay un pulso láser principal y uno de donantes, que se introduce en el principal para formar un par de pulsos XUV. La generación armónica en este caso es la suma de las frecuencias de la radiación láser, cuando se absorben varias radiaciones, y una se emite con una frecuencia igual a la suma de las frecuencias de los dos absorbidos.

Resultados de la investigacion


Como se describió en estudios anteriores, es posible manipular la fase XUV a través de las propiedades de un impulso de donante. En este estudio, como dicen los propios autores, este método se mejoró al introducir un control de fase separado de alta precisión y sincronización de pares de pulsos XUV, evitando el problema de la formación de fase en las longitudes de onda XUV. Para esto, utilizamos dos AOM (moduladores acústico-ópticos) con sincronización de fase, que controlan la fase relativa ( ϕ 21 = ϕ 2 - ϕ 1 ) del pulso del donante. En la etapa HGHG, la fase implantada pasa al desplazamiento de fase definido con precisión nϕϕ 21 para los pulsos XUV por n-th armónico que le permite manipular de manera flexible la fase misma ( 2a ).


Imagen # 2: manipulación de fase XUV.

El control de la fase XUV se demuestra mediante el control de la fase de las bandas de interferencia XUV para energías de fotones de hasta 47,5 eV ( 2b y 2c ). La alta estabilidad que se muestra en los interferogramas indica que ya se producen fluctuaciones insignificantes en la etapa HGHG, pero no en la etapa de generación de pares de pulsos.

En la etapa HGHG, las diferencias temporales entre el pulso del donante y el flujo de electrones (aproximadamente 42 fs) conducen a oscilaciones de fase de los pulsos XUV generados debido a la señal de energía residual LFM (modulación de frecuencia lineal) del haz de electrones.

El primer "experimental" fue el helio. Los científicos decidieron demostrar el proceso de seguimiento de la evolución temporal de las coherencias electrónicas de attosegundos con secuencias moduladas en fase de pulsos XUV.


Imagen 3: coherencia electrónica XUV en helio.

El modelo considerado en 3a es una transición 1s 2 → 1s4p en helio. El primer pulso XUV crea una superposición coherente del suelo y los estados excitados (paquete de ondas electrónicas o WP electrónico), denotado por | ψ ( τ )⟩.

El segundo pulso XUV va a la zaga del primero en el tiempo establecido ( τ), proyecta este WP en el estado estacionario de la población de electrones, que se mide ionizando el estado 1s4p mediante un pulso NIR ( infrarrojo cercano , es decir, infrarrojo cercano), dando la señal:

S ∝ ⟨ψ (τ) | 1s4p⟩ = A (τ) eiϕ (τ) , donde A (τ) denota la amplitud y ϕ (τ) es la evolución de fase de WP.

De acuerdo con la energía de transición 1s 2 → 1s4p igual a E = 23.74 eV, la señal oscila con un período h / E = 174 ac (ac - attosegundo), lo que requiere una estabilidad extremadamente alta de la sonda de bombeo ( δτ <20 ac) para obtener datos.

Para resolver este problema, se utilizó un esquema de fase cíclica. Al combinar la modulación de fase de ambos pulsos XUV con la detección síncrona de fase, puede reducir el período de oscilación de la señal en más de 50 veces y eliminar la mayor parte de la "fluctuación de fase" de la señal.

El gráfico 3b muestra el interferograma de tiempo registrado durante la excitación con helio. Muestra las oscilaciones periódicas puras del electrón inducido attosegundo WP, que está en buen acuerdo con el modelo teórico ( 3c ). A pesar de la energía FEL aplicada relativamente baja (≤30 nJ) y la baja densidad atómica en la muestra, se obtuvieron datos precisos. Esto indica la presencia de una excelente relación señal / ruido y una alta sensibilidad de la técnica incluso en condiciones difíciles de longitudes de onda XUV.

Además, la calidad de la señal permite el análisis directo de Fourier para obtener información espectral ( 3d ). La preparación cuidadosa del flujo de electrones junto con una reducción significativa en el tiempo para capturar datos permitió rastrear oscilaciones de WP de hasta 700 fs (fs - femtosegundo).

La investigación con helio se ha convertido en un modelo para un sistema cuántico sin perturbaciones, demostrando una coherencia electrónica de larga duración y un ligero desfasamiento. Después del helio, los investigadores comenzaron a considerar el argón, y más precisamente, la transición 3s 2 3p 6 → 3s 1 3p 6 6p 1 en argón.


Imagen 4: desfase en tiempo real de resonancia Fano en argón.

Los pares orbitales de valencia 6p se conectan al continuo * Ar + a través de la interacción de configuración ( 4a ), lo que lleva a la autoionización *, lo que a su vez conduce a un desfasamiento significativo.
Continuum * es un medio continuo donde los procesos se estudian bajo diversas condiciones externas.
Autoionización * : ionización espontánea de un átomo, molécula o partícula molecular en un estado excitado.
Los gráficos en 4b muestran los transitorios registrados en el dominio del tiempo del que se obtuvo la señal WP compleja S ( τ ) = A (τ) eiϕ (τ) . En este caso, la atenuación de la señal refleja la tunelización de WP en el continuo. La transformada de Fourier S ( ω ) de dicha señal está fuertemente relacionada con la susceptibilidad de la muestra x ( ω ) ∝ iS ( ω ) /. Por lo tanto, es posible obtener simultáneamente las curvas de absorción y dispersión de la resonancia ( 4c ).

Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos ymateriales adicionales a la misma.

Epílogo


En resumen, podemos decir que los científicos lograron con bastante éxito realizar su plan: crear un nuevo método de espectroscopía coherente ultra precisa basada en oscilaciones cíclicas de fase. Por lo tanto, pudieron rastrear y registrar la evolución del WP electrónico, que tiene lugar en una escala de tiempo de attosegundos.

Una secuencia especialmente preparada de dos pulsos láser ultracortos en el rango ultravioleta en un láser de electrones libres FERMI ayudó a implementar la técnica. Los pulsos tenían ciertas relaciones de fase entre sí y estaban separados por un intervalo de tiempo definido con precisión. El primer pulso inició el proceso en la capa de electrones (proceso de bombeo). El segundo impulso estudió el estado de la concha un poco más tarde en el tiempo (proceso de detección). Al cambiar el intervalo de tiempo y la relación de fase, los investigadores pudieron sacar conclusiones sobre el desarrollo del tiempo en la capa de electrones.

Durante un experimento práctico con argón como muestra, se rastreó un proceso extremadamente rápido y apenas perceptible. En argón, el pulso de la bomba causó una configuración especial de dos electrones dentro de la capa atómica. Esta configuración decayó de tal manera que un electrón abandonó el átomo en muy poco tiempo, lo que finalmente se convirtió en un ion. Es este proceso de desprendimiento de electrones lo que los científicos lograron arreglar. Y si tenemos en cuenta que este proceso toma alrededor de 120 attosegundos, entonces dicho experimento puede considerarse extremadamente exitoso.

En el futuro, los científicos planean mejorar su metodología y aplicarla para estudiar otros procesos rápidos. Según los autores, su trabajo proporcionará información adicional sobre los procesos que se describieron previamente solo sobre la base de modelos teóricos.

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana laboral, muchachos. :)

Un poco de publicidad :)


Gracias por estar con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más materiales interesantes? Apóyenos haciendo un pedido o recomendando a sus amigos, VPS en la nube para desarrolladores desde $ 4.99 , un análogo único de servidores de nivel básico que inventamos para usted: toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 núcleos) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps desde $ 19 o cómo dividir el servidor? (las opciones están disponibles con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 veces más barato en el centro de datos Equinix Tier IV en Amsterdam? ¡Solo tenemos 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV desde $ 199 en los Países Bajos!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ¡desde $ 99! Lea sobre Cómo construir un edificio de infraestructura. clase c con servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que cuestan 9,000 euros por un centavo?

More articles:


All Articles