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Pegar um elétron: observar um processo que leva um quintilionésimo de segundo



Em um segundo, muitos processos diversos e muito rápidos ocorrem ao nosso redor. Leva apenas 300 milissegundos (0,3 s) para piscar uma vez e 30 microssegundos (0,00003 s) são suficientes para um relâmpago. Tais processos rápidos são impressionantes em sua curta duração, mas também existem aqueles cuja velocidade é difícil de imaginar.

Certas reações químicas são ativadas pela absorção da luz. Nos primeiros momentos após a absorção, a distribuição de elétrons na camada de elétrons do átomo muda, o que afeta muito a reação em andamento e seu resultado. Essas transposições eletrônicas ocupam um período de tempo incrivelmente curto, geralmente medido em alguns segundos. E um attosegundo é igual a um quintilionésimo de segundo, ou seja, 0.000000000000000001 segundos. Rastrear processos tão rápidos é extremamente difícil, mas realisticamente. Hoje vamos nos familiarizar com um estudo em que cientistas da Universidade de Freiburg (Alemanha) criaram uma nova técnica que permite a observação em tempo real de vibrações de elétrons na carcaça de elétrons de átomos de gás nobres. Quais tecnologias formaram a base do novo método e o que poderia ser corrigido? Encontraremos respostas no relatório dos cientistas. Vai.


Um dos fenômenos mais importantes no mundo quântico é a coerência, quando vários processos vibracionais ou de ondas são coordenados no tempo. Segundo os cientistas, a compreensão da coerência torna possível entender melhor os vários processos nos sistemas quânticos, como decaimento ultra-rápido ou formação de ligações.

Para estudar a dinâmica coerente em tempo real, são necessárias técnicas ultra-rápidas apropriadas baseadas em medições interferométricas que representam a evolução da fase vibracional de coerências excitadas. Do ponto de vista de electrões, este problema torna-se uma ordem de magnitude mais complicado, uma vez que os períodos de oscilações são dimensionadas inversamente com a energia de excitação e, portanto, requerem estabilidade extremamente elevada sincronização na gama de attosecond para zeptosecond (10 -21c, isto é, 0,000000000000000000001001 segundos). No entanto, é impossível excluir processos eletrônicos, pois nesse caso as informações sobre o sistema como um todo estarão incompletas.

Uma das opções para resolver o problema acima pode ser a extensão da espectroscopia coerente resolvida no tempo para energias ultravioletas extremas * (XUV).
Ultravioleta extremo * (XUV) - radiação eletromagnética na parte do espectro eletromagnético com comprimentos de onda de 124 nm a 10 nm, quando a energia do fóton é de 10 eV a 124 eV.
Isso permitirá o acesso aos estados dentro da camada de elétrons do átomo e, portanto, à observação de processos de um segundo.

Apesar das vantagens teóricas dessa técnica, existem algumas dificuldades em sua implementação. Uma delas é a falta dos esquemas de estabilidade de fase ultra-alta e de correspondência de fase necessários para isolar sinais de coerência fraca. Por esse motivo, na prática, esse método XUV para estudar a coerência eletrônica ainda não foi implementado.

Outro aspecto da técnica XUV com grande potencial é a capacidade de controlar a coerência. No método de pesquisa bicromática, o controle da coerência foi alcançado através da manipulação do atraso relativo entre dois pulsos XUV. Existe também um método baseado na manipulação das fases dos pulsos XUV.

Certos sucessos foram alcançados nesta área. Portanto, a tecnologia de formação de pulsos, disponível apenas nas faixas de infravermelho e ultravioleta, permitiu a criação de esquemas avançados de controle que podem ser utilizados em óptica não linear e no gerenciamento de reações químicas. E no método XUV, a manipulação de fase foi parcialmente demonstrada alterando a polarização do campo de excitação.

No entanto, a manipulação direta da fase e o atraso do pulso XUV na sequência do pulso ainda não foram implementados.

No trabalho que estamos considerando hoje, os cientistas estão implementando um método de modulação de fase para seqüências de pulsos XUV, o que melhora as ferramentas de controle de coerência e a espectroscopia não linear coerente.

Para perceber isso, pares de pulsos XUV foram preparados com controle total sobre seu atraso e fase relativa. Foi utilizado um laser de elétrons livres (FEL) FERMI.


Imagem No. 1: configuração experimental.

Os pulsos ultravioletas sincronizados de fase são criados usando um interferômetro altamente estável com base em uma estrutura monolítica e são usados ​​para incorporar ao processo FEL principal, gerando harmônicos de alto ganho (HGHG). Como resultado, pares completamente coerentes de pulsos XUV são obtidos em um harmônico específico do comprimento de onda intersticial. Dito exagerado, existe um pulso laser principal e um doador, que é introduzido no pulso principal para formar um par de pulsos XUV. A geração harmônica, neste caso, é a adição das frequências da radiação laser, quando várias radiações são absorvidas e uma é emitida com uma frequência igual à soma das frequências das duas absorvidas.

Resultados da pesquisa


Conforme descrito em estudos anteriores, é possível manipular a fase XUV através das propriedades de um impulso de doador. Neste estudo, como dizem os próprios autores, esse método foi aprimorado com a introdução de controle de fase separado de alta precisão e sincronização de pares de pulsos XUV, evitando o problema de formação de fases nos comprimentos de onda XUV. Para isso, foram utilizados dois OMA (moduladores acústico-ópticos) com sincronização de fase, que controlam a fase relativa ( ϕ 21 = ϕ 2 - ϕ 1 ) do pulso do doador. No estágio HGHG, a fase implantada passa para uma mudança de fase bem definida nϕϕ 21 para pulsos XUV por n- o harmônico que permite manipular com flexibilidade a própria fase ( 2a ).


Imagem 2: manipulação de fase XUV.

O controle da fase XUV é demonstrado pelo controle da fase das bandas de interferência XUV para energias de fótons de até 47,5 eV ( 2b e 2c ). A alta estabilidade mostrada nos interferogramas indica que flutuações insignificantes já ocorrem no estágio de HGHG, mas não no estágio de geração de pares de pulsos.

No estágio HGHG, as diferenças temporais entre o pulso do doador e o fluxo de elétrons (aproximadamente 42 fs) levam a oscilações de fase dos pulsos XUV gerados devido ao sinal LFM de energia residual (modulação de frequência linear) do feixe de elétrons.

O primeiro "experimental" foi o hélio. Os cientistas decidiram demonstrar o processo de rastreamento da evolução temporal das coerências de elétrons de um segundo com sequências de pulsos XUV com modulação de fase.


Imagem 3: Coerência eletrônica XUV em hélio.

O modelo em consideração em 3a é uma transição 1s 2 → 1s4p em hélio. O primeiro pulso XUV cria uma superposição coerente dos estados de terra e excitação (pacote de ondas eletrônicas ou WP eletrônico), indicado por | ψ ( τ )⟩.

Segundo pulso XUV ficando atrás do primeiro no tempo definido ( τ), projeta esse WP no estado estacionário da população de elétrons, medido pela ionização do estado 1s4p por um pulso NIR ( infravermelho próximo , isto é, infravermelho próximo), emitindo o sinal:

S ∝ ⟨ψ (τ) | 1s4p⟩ = A (τ) eiϕ (τ) , onde A (τ) denota a amplitude e ϕ (τ) é a evolução da fase do WP.

De acordo com a energia de transição 1s 2 → 1s4p igual a E = 23,74 eV, o sinal oscila com um período h / E = 174 ac (ac - attosegundo), o que requer estabilidade extremamente alta da sonda de bombeamento ( δτ <20 ac) para obter dados.

Para resolver este problema, foi utilizado um esquema de fase cíclica. Combinando a modulação de fase dos dois pulsos XUV com a detecção síncrona de fase, você pode reduzir o período de oscilação do sinal em mais de 50 vezes e remover a maior parte da "instabilidade" da fase do sinal.

O gráfico 3b mostra o interferograma no tempo registrado durante a excitação com hélio. Ele mostra as oscilações periódicas puras do elétron W de attossegundo induzido, o que está de acordo com o modelo teórico ( 3c ). Apesar da relativamente baixa energia aplicada ao FEL (≤30 nJ) e baixa densidade atômica na amostra, foram obtidos dados precisos. Isso indica a presença de uma excelente relação sinal / ruído e alta sensibilidade da técnica, mesmo sob condições difíceis de comprimentos de onda XUV.

Além disso, a qualidade do sinal permite que a análise direta de Fourier obtenha informações espectrais ( 3d ). A preparação cuidadosa do fluxo de elétrons em conjunto com uma redução significativa no tempo de captura de dados tornou possível rastrear oscilações de WP de até 700 fs (fs - femtosegundo).

A pesquisa de hélio tornou-se um modelo para um sistema quântico imperturbável que demonstra coerência de elétrons de longa duração e leve desalinhamento. Após o hélio, os pesquisadores começaram a considerar o argônio e, mais precisamente, a transição 3s 2 3p 6 → 3s 1 3p 6 6p 1 no argônio.


Imagem 4: remoção em tempo real da ressonância de Fano no argônio.

Os pares orbitais de 6p-valência conectam-se ao continuum * Ar + por meio da interação de configuração ( 4a ), levando à autoionização *, o que, por sua vez, leva a uma diminuição significativa.
Continuum * é um meio contínuo onde os processos são estudados sob várias condições externas.
Autoionização * - ionização espontânea de um átomo, molécula ou partícula molecular em um estado excitado.
Os gráficos em 4b mostram os transientes registrados no domínio do tempo a partir dos quais o sinal WP complexo S ( τ ) = A (τ) eiϕ (τ) foi obtido . Nesse caso, a atenuação do sinal reflete o tunelamento do WP no continuum. A transformada de Fourier S ( ω ) desse sinal está fortemente relacionada à suscetibilidade da amostra x ( ω ) ∝ iS ( ω ) /. Portanto, é possível obter simultaneamente as curvas de absorção e dispersão da ressonância ( 4c ).

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório de cientistas emateriais adicionais para ele.

Epílogo


Resumindo, podemos dizer que os cientistas conseguiram com sucesso realizar seu plano - criar um novo método de espectroscopia coerente ultra-precisa, com base em oscilações de fase cíclica. Assim, eles foram capazes de rastrear e registrar a evolução do WP eletrônico, que ocorre em uma escala de tempo de um segundo.

Uma sequência especialmente preparada de dois pulsos de laser ultracurtos na faixa ultravioleta em um laser de elétrons sem FERMI ajudou a implementar a técnica. Os pulsos tinham certas relações de fase entre si e foram separados por um intervalo de tempo definido com precisão. O primeiro pulso iniciou o processo no invólucro de elétrons (processo de bombeamento). O segundo impulso estudou o estado da concha um pouco mais tarde (processo de detecção). Alterando o intervalo de tempo e a taxa de fase, os pesquisadores puderam tirar conclusões sobre o desenvolvimento do tempo na camada de elétrons.

Durante um experimento prático com o argônio como amostra, foi rastreado um processo extremamente rápido e quase imperceptível. No argônio, o pulso da bomba causou uma configuração especial de dois elétrons dentro da carcaça atômica. Essa configuração decaiu de tal maneira que um elétron deixou o átomo em um tempo muito curto, o que acabou se tornando um íon. Foi esse processo de descolamento de elétrons que os cientistas conseguiram consertar. E se levarmos em conta que esse processo leva cerca de 120 attosegundos, esse experimento pode ser chamado de extremamente bem-sucedido.

No futuro, os cientistas planejam melhorar sua metodologia e aplicá-la para estudar outros processos rápidos. Segundo os autores, o trabalho deles fornecerá informações adicionais sobre processos descritos anteriormente apenas com base em modelos teóricos.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)

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