Физики из Университета Констанца сгенерировали один из самых коротких сигналов, когда-либо производимых человеком.
Молекулярные или твердотельные процессы в природе иногда могут происходить за такие короткие промежутки времени, как фемтосекунды (квадриллионные доли секунды) или аттосекунды (квинтиллионные доли секунды). Ядерные реакции происходят еще быстрее. Теперь ученые из Констанцского университета Максим Царев, Йоханнес Тёрнер и Питер Баум используют новую экспериментальную установку для получения сигналов длительностью аттосекунды, то есть миллиардных долей наносекунды, что открывает новые перспективы в области сверхбыстрые явления.
Даже световые волны не могут достичь такого временного разрешения, поскольку для этого одно колебание занимает слишком много времени. Электроны являются решением этой проблемы, поскольку они обеспечивают значительно более высокое временное разрешение. В своей экспериментальной установке исследователи из Констанца используют пары фемтосекундных световых вспышек лазера для генерации чрезвычайно коротких электронных импульсов в луче свободного пространства. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.
Как учёные пошли на это?
Подобно волнам на воде, световые волны также могут накладываться друг на друга, образуя гребни и впадины стоячих или бегущих волн. Физики выбрали углы падения и частоты так, чтобы сопутствующие электроны, летящие в вакууме со скоростью, равной половине скорости света, перекрывались с гребнями и впадинами оптических волн с точно такой же скоростью.
Затем так называемая пондеромоторная сила толкает электроны в направлении впадины следующей волны. Таким образом, после короткого взаимодействия генерируется серия электронных импульсов, чрезвычайно коротких по времени – особенно в середине серии импульсов, где электрические поля очень сильны.
На короткое время временная длительность электронных импульсов составляет всего около пяти аттосекунд. Чтобы понять этот процесс, исследователи измеряют распределение скоростей электронов, которое остается после сжатия. «Вместо очень равномерной скорости выходных импульсов вы видите очень широкое распределение, возникающее в результате сильного замедления или ускорения некоторых электронов в процессе сжатия», — объясняет физик Йоханнес Тёрнер. «Но не только это: распределение не является гладким. Вместо этого он состоит из тысяч ступеней скорости, поскольку одновременно с электронами может взаимодействовать только целое число пар легких частиц».
Значение для исследований
Квантово-механически, говорит ученый, это временная суперпозиция (интерференция) электронов сами с собой, испытавшие одно и то же ускорение в разное время. Этот эффект актуален для квантовомеханических экспериментов – например, по взаимодействию электронов и света.
Что еще примечательно: плоские электромагнитные волны, такие как световой луч, обычно не могут вызывать постоянные изменения скорости электронов в вакууме, потому что полная энергия и полный импульс массивного электрона и легкой частицы покоя (фотона) с нулевой массой покоя не могут сохраняться. Однако наличие двух фотонов одновременно в волне, движущейся медленнее скорости света, решает эту проблему (эффект Капицы-Дирака).
Для Питера Баума, профессора физики и руководителя группы света и материи в Университете Констанца, эти результаты по-прежнему являются фундаментальными исследованиями, но он подчеркивает большой потенциал для будущих исследований: «Если на материал воздействуют два наших коротких импульса, через переменный интервал времени первый импульс может вызвать изменение, а второй импульс можно использовать для наблюдения – подобно вспышке фотоаппарата».
По его мнению, большим преимуществом является то, что в экспериментальном принципе не задействован никакой материал и все происходит в свободном пространстве. В будущем для еще более сильного сжатия в принципе можно будет использовать лазеры любой мощности. «Наше новое двухфотонное сжатие позволяет нам перейти в новые измерения времени и, возможно, даже снимать ядерные реакции», — говорит Баум.
No comments:
Post a Comment