Get best of the week

Tangkap satu elektron: amati proses yang membutuhkan seperempat miliar detik



Dalam satu detik, banyak proses yang beragam dan sangat cepat terjadi di sekitar dan di dalam diri kita. Hanya perlu 300 milidetik (0,3 detik) untuk berkedip sekali, dan 30 mikrodetik (0,00003 detik) sudah cukup untuk satu sambaran petir. Proses cepat semacam itu sangat mencolok dalam durasinya yang singkat, tetapi ada juga yang kecepatannya sulit dibayangkan.

Reaksi kimia tertentu diaktifkan oleh penyerapan cahaya. Pada saat-saat pertama setelah penyerapan, distribusi elektron dalam kulit elektron perubahan atom, yang sangat mempengaruhi reaksi yang sedang berlangsung dan hasilnya. Transposisi elektronik ini menempati rentang waktu yang sangat singkat, seringkali diukur dalam attoseconds. Dan satu attosecond sama dengan satu per sepuluh triliun detik, yaitu 0,000000000000000001 detik. Melacak proses cepat semacam itu sangat sulit, tetapi realistis. Hari ini kita akan berkenalan dengan sebuah studi di mana para ilmuwan dari Universitas Freiburg (Jerman) menciptakan teknik baru yang memungkinkan pengamatan real-time dari getaran elektron dalam cangkang elektron dari atom gas mulia. Teknologi apa yang membentuk dasar metode baru dan apa yang bisa diperbaiki? Kami akan menemukan jawaban dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.


Salah satu fenomena terpenting dalam dunia kuantum adalah koherensi, ketika beberapa proses getaran atau gelombang terkoordinasi dalam waktu. Menurut para ilmuwan, memahami koherensi memungkinkan untuk lebih memahami berbagai proses dalam sistem kuantum, seperti pembusukan ultra cepat atau pembentukan ikatan.

Untuk mempelajari dinamika koheren real-time, teknik ultrafast yang tepat berdasarkan pengukuran interferometrik yang mewakili evolusi fase getaran koherensi tereksitasi diperlukan. Dari sudut pandang elektron, masalah ini menjadi urutan besarnya lebih rumit, karena periode osilasi diskalakan terbalik dengan energi eksitasi dan, oleh karena itu, memerlukan stabilitas sinkronisasi yang sangat tinggi dalam rentang dari attosecond hingga zeptosecond (10 −21)c, yaitu 0,000000000000000000001 detik). Namun demikian, tidak mungkin untuk mengecualikan proses elektronik, karena dalam hal ini informasi tentang sistem secara keseluruhan tidak lengkap.

Salah satu opsi untuk memecahkan masalah di atas mungkin adalah perluasan spektroskopi koheren yang diselesaikan dengan waktu menjadi energi ultraviolet ekstrim * (XUV).
Extreme ultraviolet * (XUV) - radiasi elektromagnetik di bagian spektrum elektromagnetik dengan panjang gelombang dari 124 nm hingga 10 nm, ketika energi foton dari 10 eV hingga 124 eV.
Ini akan memungkinkan akses ke keadaan di dalam kulit elektron atom dan, oleh karena itu, untuk pengamatan proses attosecond.

Terlepas dari keunggulan teoritis teknik ini, ada beberapa kesulitan dalam implementasinya. Salah satunya adalah tidak adanya stabilitas fase-tinggi yang sesuai dan skema pencocokan fase untuk mengisolasi sinyal koherensi yang lemah. Karena itu, dalam praktiknya, metode XUV untuk mempelajari koherensi elektronik ini belum diterapkan.

Aspek lain dari teknik XUV dengan potensi besar adalah kemampuan untuk mengendalikan koherensi. Dalam metode penelitian bikromatik, kontrol koherensi dicapai dengan memanipulasi penundaan relatif antara dua pulsa XUV. Ada juga metode yang didasarkan pada memanipulasi fase pulsa XUV.

Keberhasilan tertentu telah dicapai di bidang ini. Jadi, teknologi pembentukan pulsa, hanya tersedia dalam rentang inframerah dan ultraviolet, telah memungkinkan pembuatan sirkuit kontrol canggih yang dapat digunakan dalam optik nonlinier dan dalam pengelolaan reaksi kimia. Dan dalam metode XUV, manipulasi fase sebagian ditunjukkan dengan mengubah polarisasi bidang eksitasi.

Namun, manipulasi langsung fase dan penundaan pulsa XUV dalam urutan pulsa belum diimplementasikan.

Dalam pekerjaan yang kami pertimbangkan saat ini, para ilmuwan menerapkan metode modulasi fase untuk urutan pulsa XUV, yang meningkatkan alat manajemen koherensi dan spektroskopi nonlinier yang koheren.

Untuk mewujudkan hal ini, pasangan pulsa XUV disiapkan dengan kontrol penuh atas penundaan dan fase relatifnya. FERMI laser elektron bebas (FEL) digunakan.


Gambar No. 1: pengaturan eksperimental.

Pulsa ultraviolet tersinkronisasi fase dibuat menggunakan interferometer yang sangat stabil berdasarkan pada struktur monolitik dan digunakan untuk menggabungkan ke dalam proses FEL utama dengan menghasilkan harmonik gain tinggi (HGHG). Hasilnya, pasangan pulsa XUV yang sepenuhnya koheren diperoleh pada harmonik spesifik dari panjang gelombang interstitial. Pepatah berlebihan, ada pulsa laser utama dan donor, yang diperkenalkan ke yang utama untuk membentuk sepasang pulsa XUV. Generasi harmonik dalam hal ini adalah penambahan frekuensi radiasi laser, ketika beberapa radiasi diserap, dan satu dipancarkan dengan frekuensi yang sama dengan jumlah frekuensi keduanya diserap.

Hasil penelitian


Seperti dijelaskan dalam penelitian sebelumnya, adalah mungkin untuk memanipulasi fase XUV melalui sifat-sifat impuls donor. Dalam penelitian ini, seperti yang penulis katakan sendiri, metode ini ditingkatkan dengan memperkenalkan presisi tinggi, kontrol fase terpisah dan sinkronisasi pasangan pulsa XUV, sambil menghindari masalah pembentukan fase pada panjang gelombang XUV. Untuk melakukan ini, kami menggunakan dua AOM (modulator optik-acous) dengan sinkronisasi fase, yang mengontrol fase relatif ( ϕ 21 = ϕ 2 - ϕ 1 ) dari pulsa donor. Pada tahap HGHG, fase implan beralih ke pergeseran fase yang terdefinisi dengan baik nϕϕ 21 untuk pulsa XUV oleh n-th harmonic yang memungkinkan Anda memanipulasi fase itu sendiri ( 2a ).


Gambar # 2: Manipulasi fase XUV.

Kontrol fase XUV ditunjukkan oleh kontrol fase band interferensi XUV untuk energi foton hingga 47,5 eV ( 2b dan 2c ). Stabilitas tinggi yang ditunjukkan dalam interferogram menunjukkan bahwa fluktuasi yang tidak signifikan sudah terjadi pada tahap HGHG, tetapi tidak pada tahap pembangkitan pasangan pulsa.

Pada tahap HGHG, perbedaan temporal antara pulsa donor dan fluks elektron (sekitar 42 fs) menyebabkan osilasi fase dari pulsa XUV yang dihasilkan karena energi sisa sinyal LFM (modulasi frekuensi linier) dari berkas elektron.

"Eksperimental" pertama adalah helium. Para ilmuwan memutuskan untuk mendemonstrasikan proses pelacakan evolusi waktu koherensi elektron attosecond dengan urutan fase-termodulasi dari pulsa XUV.


Gambar 3: Koherensi elektronik XUV dalam helium.

Model yang dipertimbangkan pada 3a adalah transisi 1s 2 → 1s4p dalam helium. Pulsa XUV pertama menciptakan superposisi yang koheren dari tanah dan keadaan tereksitasi (paket gelombang elektronik atau WP elektronik), dilambangkan dengan | ψ ( τ )⟩.

Pulsa XUV kedua tertinggal di belakang yang pertama pada waktu yang ditentukan ( τ), memproyeksikan WP ini ke keadaan stasioner dari populasi elektron, yang diukur dengan mengionisasi keadaan 1s4p dengan pulsa NIR ( hampir-inframerah , yaitu, dekat inframerah), memberikan sinyal:

S ∝ ⟨ψ (τ) | 1s4p⟩ = A (τ) eiϕ (τ) , di mana A (τ) menunjukkan amplitudo dan ϕ (τ) adalah fase evolusi WP.

Sesuai dengan energi transisi 1s 2 → 1s4p sama dengan E = 23,74 eV, sinyal berosilasi dengan periode h / E = 174 ac (ac - attosecond), yang membutuhkan stabilitas probe pompa yang sangat tinggi ( δτ <20 ac) untuk mendapatkan data.

Untuk mengatasi masalah ini, skema fase-siklik digunakan. Dengan menggabungkan modulasi fase kedua pulsa XUV dengan deteksi fase-sinkron, Anda dapat mengurangi periode osilasi sinyal lebih dari 50 kali dan menghapus sebagian besar fase "jitter" dari sinyal.

Grafik 3b menunjukkan interferogram waktu yang direkam selama eksitasi helium. Ini menunjukkan osilasi periodik murni dari WP elektron attosecond yang diinduksi, yang sesuai dengan model teoritis ( 3c ). Meskipun energi FEL yang diterapkan relatif rendah (≤30 nJ) dan kepadatan atom yang rendah dalam sampel, data yang akurat diperoleh. Ini menunjukkan adanya rasio signal-to-noise yang sangat baik dan sensitivitas teknik yang tinggi bahkan di bawah kondisi panjang gelombang XUV yang sulit.

Selain itu, kualitas sinyal memungkinkan analisis Fourier langsung untuk mendapatkan informasi spektral ( 3d ). Persiapan yang teliti dari fluks elektron bersamaan dengan pengurangan waktu yang signifikan untuk menangkap data memungkinkan untuk melacak osilasi WP hingga 700 fs (fs - femtosecond).

Penelitian Helium telah menjadi model untuk sistem kuantum yang tidak terganggu yang menunjukkan koherensi elektron berumur panjang dan sedikit dephasing. Setelah helium, para peneliti mulai mempertimbangkan argon, dan lebih tepatnya, transisi 3s 2 3p 6 → 3s 1 3p 6 6p 1 dalam argon.


Gambar 4: penggambaran real-time dari resonansi Fano di argon.

Pasangan orbital valas 6p terhubung ke kontinum * Ar + melalui interaksi konfigurasi ( 4a ), yang mengarah ke autoionisasi *, yang pada gilirannya mengarah pada pengurangan yang signifikan.
Continuum * adalah media berkelanjutan di mana proses dipelajari dalam berbagai kondisi eksternal.
Autoionisasi * - ionisasi spontan dari atom, molekul atau partikel molekul dalam keadaan tereksitasi.
Grafik pada 4b menunjukkan transien yang direkam dalam domain waktu dari mana sinyal WP kompleks S ( τ ) = A (τ) eiϕ (τ) diperoleh . Dalam hal ini, pelemahan sinyal mencerminkan tunneling WP ke dalam kontinum. Transformasi Fourier S ( ω ) dari sinyal semacam itu sangat terkait dengan kerentanan sampel x ( ω ) ∝ iS ( ω ) /. Oleh karena itu, dimungkinkan untuk secara simultan mendapatkan kurva absorpsi dan dispersi dari resonansi ( 4c ).

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat dalam laporan para ilmuwan danbahan tambahan untuk itu.

Epilog


Ringkasnya, kita dapat mengatakan bahwa para ilmuwan cukup berhasil mewujudkan rencana mereka - untuk menciptakan metode baru spektroskopi koheren ultra-presisi berdasarkan osilasi fase-siklik. Dengan demikian, mereka dapat melacak dan merekam evolusi WP elektronik, yang terjadi pada skala waktu attosecond.

Urutan dua pulsa laser ultrashort yang disiapkan khusus dalam kisaran ultraviolet pada laser elektron bebas FERMI membantu mengimplementasikan teknik ini. Pulsa memiliki hubungan fase tertentu relatif satu sama lain dan dipisahkan oleh interval waktu yang ditentukan secara tepat. Denyut pertama memulai proses dalam kulit elektron (proses pemompaan). Impuls kedua mempelajari keadaan cangkang sedikit kemudian dalam waktu (proses penginderaan). Dengan mengubah interval waktu dan rasio fase, para peneliti dapat menarik kesimpulan tentang perkembangan waktu di kulit elektron.

Selama percobaan praktis dengan argon sebagai sampel, proses yang sangat cepat dan nyaris tak terlihat dilacak. Dalam argon, pulsa pompa menyebabkan konfigurasi khusus dua elektron di dalam kulit atom. Konfigurasi ini membusuk sedemikian rupa sehingga satu elektron meninggalkan atom dalam waktu yang sangat singkat, yang akhirnya menjadi ion. Proses pelepasan elektron inilah yang berhasil diperbaiki oleh para ilmuwan. Dan jika kita memperhitungkan bahwa proses ini memakan waktu sekitar 120 attoseconds, maka percobaan semacam itu bisa disebut sangat sukses.

Di masa depan, para ilmuwan berencana untuk meningkatkan metodologi mereka dan menerapkannya untuk mempelajari proses cepat lainnya. Menurut penulis, karya mereka akan memberikan informasi tambahan mengenai proses yang sebelumnya hanya dijelaskan berdasarkan model teoritis.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan. :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda, cloud VPS untuk pengembang dari $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles