实时观测的量子干涉-极端紫外光谱学技术

时间:2020-02-21 18:03 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

实时观测的量子干涉-极端紫外光谱学技术

弗莱堡大学物理研究所的Frank Stienkemeier教授和Lukas Bruder博士领导的一个研究小组已经成功地实时观测到超高速量子干涉,换句话说,就是在稀有气体原子的原子壳层中发现的电子的振荡模式。他们成功地观察到了大约150阿秒的振荡周期——阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一的十亿分之一。为此,科学家们用特制的激光脉冲激发稀有气体原子。然后他们用一种新的测量技术跟踪原子的反应,使他们能够以极高的时间分辨率研究原子和分子的量子力学效应。研究人员将他们的研究结果发表在最新一期的《自然通讯》杂志上。

许多化学反应,如分子中化学键的断裂,都是由光的吸收引起的。在吸收后的第一个瞬间,原子壳层中电子的分布发生了变化,极大地影响了反应的后续过程。这种变化发生得非常快;时间尺度达到阿秒级。以前使用的光谱技术使用的是可见激光脉冲,速度不够快,无法跟踪这样的过程。因此,世界各地的研究人员目前正在开发创新的激光光源和足够的紫外和x射线光谱技术。

Stienkemeier的团队已经将一项已知的技术从可见光谱范围,即相干泵浦探测光谱扩展到紫外线范围。这是x射线和紫外线之间的光谱范围。为了做到这一点,科学家们在意大利里雅斯特的费米自由电子激光器上准备了两个极端紫外线范围内的超短激光脉冲序列。脉冲之间有一个精确定义的时间间隔,它们之间有一个精确定义的相位关系。第一个脉冲在电子层(泵浦过程)中启动过程。第二个脉冲在稍后的点(探针过程)探测电子层的状态。通过改变时间间隔和相位关系,研究人员可以对电子壳层的时间发展做出结论。“最大的挑战是实现对脉冲特性的精确控制,并隔离微弱的信号,”负责实验过程的Andreas Wituschek解释说。

弗莱堡的物理学家研究稀有气体氩。在氩气中,泵浦脉冲引起原子壳层中两个电子的一种特殊配置:这种配置分解,一个电子在很短的时间内离开原子,原子最后以离子的形式留在后面。当一个电子离开原子时,研究人员首次成功地观测到了量子干涉的瞬时衰减。Bruder说:“这个实验为在极端紫外线范围内的高能辐射选择性刺激后在原子和分子过程研究中的许多新应用铺平了道路。”

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