Elektrony ve dvojím stavu

Vědci uvádějí částice s laserovými pulzy do stavu, který byl předpokládán před desítkami let

Ve dvojím stavu působí na elektron jak elektrické pole laseru, tak i atomové jádro. © UNIGE / Xavier Ravinet
číst nahlas

Ani zcela volný, ani vázaný na atomové jádro: fyzici poprvé nastavili elektrony v takovém dvojím stavu pomocí laserových pulzů - čímž potvrdili desetiletou hypotézu. Jejich experimenty poskytují nejen překvapivé vhledy do ionizačních procesů hmoty. Mají také potenciál revoluci v laserové teorii.

Atomy se skládají z atomového jádra a elektronů, které jsou vázány na toto jádro a obíhají. Tento stav však lze změnit: Silné protisíly lze použít k osvobození elektronů od atraktivního elektrického pole „jejich“ atomového jádra a jejich uvolnění do životního prostředí. Taková ionizace uspěje například pomocí laserových paprsků.

Toto spojení bylo teoretikovi Walterovi Hennebergovi známo před půl stoletím - a vyvinul zajímavou myšlenku: mohlo by být možné uvést elektron do jakéhokoli dvojitého stavu, ve kterém není ani zcela volný, ani pevně vázán k atomovému jádru ? Zachytil se v laserovém paprsku, pak by byl nucen střídavě se pohybovat ve směru jádra a znovu od něj. Protože by to ovlivnilo elektrické pole laseru i atomové jádro částice.

Premiéra v laserovém paprsku

V takovém dvojím stavu by mělo být možné řídit pohyb elektronů v souhře těchto dvou elektrických polí, a tak vytvářet atomy s novou elektronickou strukturou, kterou lze naladit laserovým světlem. Dosud teorie. Ale co tato hypotéza?

Od osmdesátých let se vědci opakovaně pokusili dát elektrony do postulovaného stavu podle Henneberga - zatím bez úspěchu. Mary Matthews z Ženevské univerzity a její kolegové nyní zahájili další pokus a mohou poprvé oznámit pozitivní: ve skutečnosti dokázali zachytit elektron po jeho uvolnění v laserovém paprsku poblíž jeho jádra. zobrazit

„Údolí smrti“

Fyzici tuto premiéru dosáhli experimenty s atomy argonu a různými laserovými intenzitami. Aby dosáhli dvojího stavu, museli přesně najít ten laserový puls, který donutí elektronu kmitat ve směru atomového jádra a pryč od něj. Teprve potom zůstane jeho energie a stav stabilní.

Vědci očekávali, že by mohli nejlépe osvobodit elektron z atomové sítě při vysokých intenzitách. Ukázalo se však, že je překvapivé: „Na rozdíl od přirozeného očekávání, že by laser měl uvolnit elektron, čím dříve bude silnější, zjistili jsme, že existuje určitá mez intenzity „Nemůžeme začít ionizovat atom, “ říká spoluautorka Misha Ivanov z Institutu Maxe Born pro nelineární optiku a krátkou pulzní spektroskopii v Berlíně.

100 bilionů wattů na centimetr čtvereční

V této oblasti, dabované týmu Death Valley, ztratili veškerou kontrolu nad elektronem. Nad touto oblastí však byli schopni částici znovu ovládat - a to je místo, kde umístili elektron do dvojitého stavu.

"Vytvořili jsme laserové pole s intenzitou 100 bilionů wattů na čtvereční centimetr, a tak jsme byli schopni překonat údolí smrti a držet elektrony blízko jejich atomového jádra po dobu normálních oscilací." v elektrickém poli laseru, “říká Jean-Pierre Wolf z Ženevské univerzity. Pro srovnání, intenzita slunečních paprsků na Zemi je pouze kolem 100 wattů na metr čtvereční.

"Prokázal pravý opak"

„To nám dává příležitost vytvářet nové atomové stavy ozářením vhodným laserovým světlem, jehož elektrony mají zcela novou úroveň energie, “ poznamenává Wolf. "Dříve bylo považováno za nemožné vytvořit takové dvojí státy a nyní jsme dokázali opak."

Vědci potvrzují desetiletou hypotézu a zároveň poskytují nový pohled na ionizační procesy hmoty. Ale nejen to: další experimenty odhalily, že elektrony ve dvojím stavu mají zajímavou vlastnost - mohou zesílit světlo. „To bude hrát zásadní roli v nových teoriích a předpovědích, které popisují šíření silných laserových paprsků v plynech, řekněme ve vzduchu, “ uzavírá Wolf. (Nature Physics, 2018; doi: 10, 1038 / s41567-018-0105-0)

(Forschungsverbund Berlin eV, 17.04.2018 - DAL)