Mokslo istorijoje to dar nėra buvę: matuojant trumpiausią iki šiol laiką, užfiksuoti iš atomo lekiantys elektronai

Tai primena sklindančios šviesos veikimo užfiksavimą. Pirmą kartą mokslininkai išmatavo pokyčius atome zeptosekundžių – trilijonųjų milijardosios sekundės dalių – raiška. Tai iki šiol trumpiausia stebėta laiko atkarpa.

Šiuo atveju užfiksuoti greituoliai buvo elektronai, sprunkantys iš atomo glėbio. Šviesai paveikus elektronus, jie susijaudina ir gali ištrūkti iš savo atomų. Fotono energiją arba sunaudoja vienas elektronas, arba ji gali būti padalinta keliems. Toks elektronų išsviedimas vadinamas fotoelektriniu efektu, o jį 1905 metais atrado Albertas Einšteinas.

Anksčiau šio efekto tyrimuose išmatuoti kas įvyko, buvo įmanoma tik jau elektronui išlėkus iš atomo, pažymi Martin Schultze Kvantinės optikos Max Planck instituto Garchinge, Vokietijoje.

Dabar jis su kolegomis išvydo kitą proceso galą. Jie išmatavo visą elektrono išsviedimą iš helio atomo, nuo pradžios iki galo, zeptosekundės (10-21 s) tikslumu. Tai trumpiausia kada nors išmatuota laiko atkarpa

Greitas sprukimas

Atlikdama eksperimentus, komanda neapsakomai trumpais, tolimo ultravioletinio lazerio impulsais apšaudė helio atomus, taip sužadindami jo elektronų poras. Impulsas truko vos 100 – 200 atosekundžių (10-18 s). Bet atlikę daug bandymų ir paskaičiavę jų statistinį pasiskirstymą, jie sugebėjo išmatuoti 850 zeptosekundžių įvykius.

Jie taip pat atliko bandymus, naudodami artimo infraraudonojo spinduliavimo lazerio impulsus, trunkančius vos keturias femtosekundes (1 fs yra 10-15 s). Šiuo impulsu buvo užfiksuotas vos tik iš helio atomo išsilaisvinęs elektronas. Priklausomai nuo lazerio spindulio elektromagnetinio lauko, elektronas greitėjo arba lėtėjo.

„Naudodami šią informaciją, galime išmatuoti, per kiek laiko elektronas pakeičia savo kvantinę būseną iš griežtai apibrėžtos, suvaržytos būsenos atomo orbitoje į laisvą būseną,“ paaiškina Marcus Ossiander iš Max Planck instituto.

Pasak Schultze, išmetimas truko 7 – 20 atosekundžių, ir šis laikas priklausė nuo to, kaip elektronas sąveikavo su atomo branduoliu ir kitu elektronu.

„Tereikia labai tiksliai žinoti pulsų laiko centrą, ir mūsų technika jį galima išmatuoti labai tiksliai,“ sako Ossiander. „Dar trumpesniais impulsais būtų įmanoma gauti geresnę laiko raišką, bet ji gali gerokai viršyti impulso trukmę. Galime tai patvirtinti, statistiškai apdoroję daug matavimų ir apskaičiavę statistinę standartinę klaidą, kuri mūsų atveju yra 850 zeptosekundžių.“

Tyrėjai taip pat išmatavo, kaip elektronai pasidalino lazerio energiją, pasiimdami lygią ar nelygią dalį. Kartais vienas iš elektronų pasičiupdavo visą energiją. Šį energijos pasidalijimą lemia keletas faktorių, nuo kvantinės elektronų koreliacijos tarp elektronų iki lazerio lauko elektromagnetinės būsenos, pasakojo Schultze.

Dviejų kompanija

Viena iš priežasčių, kodėl bandymams buvo pasirinktas helis – jis turi tik du elektronus, tad galima tiesiogiai išmatuoti jų kvantinės mechanikos savybes. Daugiau elektronų turinčiuose atomuose būtų reikėję daryti prielaidas apie energijos pasiskirstymą ir elektrono išmetimo laiką.

Šie rezultatai – svarbus langas į atomų kvantinį elgesį, ypač, jų elektronų veikimą, pabrėžia Schultze. Tokių dalykų supratimas galėtų suteikti įžvalgų į tokius reiškinius, kaip superlaidumas ar kvantiniai skaičiavimai.

„Visada būna daugiau nei vienas elektronas. Jie visada sąveikauja. Jie visada jaus vienas kitą, netgi atstumu,“ sako jis. „Iš atskirų elektronų sąveikos kyla daug dalykų, tačiau mes juos laikome vienu, kolektyviniu dariniu. Norint atomus pažinti mikroskopiniu, baziniu lygmeniu, būtina suprasti, kaip elektronai elgiasi tarpusavyje.“

Žurnalo nuoroda:Nature Physics, DOI: 10.1038/nphys3941

Rebecca Boyle
newscientist.com

   

Facebook komentarai