Фізики з Університету Констанца згенерували один із найкоротших сигналів, які коли-небудь створювали люди. Молекулярні або твердотільні процеси в природі іноді можуть відбуватися за такі короткі часові рамки, як фемтосекунди (квадрильйонні частки секунди) або аттосекунди (квінтильйонні частки секунди). Ядерні реакції відбуваються ще швидше. Тепер Максим Царьов, Йоганнес Турнер і Пітер Баум, вчені з Університету Констанца, використовують нову експериментальну установку для досягнення сигналів тривалістю в аттосекунду, тобто мільярдних часток наносекунди, що відкриває нові перспективи в галузі надшвидкісні явища.
Навіть світлові хвилі не можуть досягти такої роздільної здатності в часі, оскільки одне коливання займає для цього занадто багато часу. Електрони тут допомагають, оскільки вони забезпечують значно вищу роздільну здатність у часі. У своїй експериментальній установці дослідники з Констанца використовують пари фемтосекундних світлових спалахів від лазера для генерації надзвичайно коротких електронних імпульсів у пучку вільного простору. Результати опубліковані в журналі Nature Physics.
Як до цього дійшли вчені?
Подібно до водяних хвиль, світлові хвилі також можуть накладатися, створюючи гребені та западини стоячих або біжучих хвиль. Фізики вибрали кути падіння та частоти так, щоб електрони, що спільно поширюються через вакуум із половиною швидкості світла, накладалися на вершини та спади оптичних хвиль із точно такою ж швидкістю.
Те, що називається пондеромоторною силою, штовхає електрони в напрямку наступної хвилі. Таким чином, після короткої взаємодії генерується серія електронних імпульсів, які є надзвичайно короткими за часом – особливо в середині серії імпульсів, де електричні поля дуже сильні.
Протягом короткого часу часова тривалість електронних імпульсів становить лише близько п’яти аттосекунд. Щоб зрозуміти цей процес, дослідники вимірюють розподіл швидкості електронів, який залишається після стиснення. «Замість дуже рівномірної швидкості вихідних імпульсів ви бачите дуже широкий розподіл, який є результатом сильного уповільнення або прискорення деяких електронів під час стиснення», — пояснює фізик Йоганнес Турнер. «Але не тільки це: розподіл не є плавним. Натомість він складається з тисяч кроків швидкості, оскільки лише ціла кількість пар легких частинок може взаємодіяти з електронами одночасно».
Значущість для дослідження
Квантово-механічно, каже вчений, це часова суперпозиція (інтерференція) електронів із самими собою після того, як вони зазнали того самого прискорення в різний час. Цей ефект актуальний для квантово-механічних експериментів – наприклад, по взаємодії електронів і світла.
Що також примітно: плоскі електромагнітні хвилі, такі як світловий промінь, зазвичай не можуть викликати постійні зміни швидкості електронів у вакуумі, оскільки загальна енергія та загальний імпульс масивного електрона та легкої частинки (фотона) з нульовою масою спокою не можуть бути збережені. Однак наявність двох фотонів одночасно у хвилі, що поширюється повільніше, ніж швидкість світла, розв’язувати цю проблему (ефект Капіци-Дірака).
Для Пітера Баума, професора фізики та керівника групи світла та матерії в Університеті Констанца, ці результати все ще є фундаментальними дослідженнями, але він наголошує на великому потенціалі для майбутніх досліджень: «Якщо матеріал потрапляє під дію двох наших коротких імпульсів у змінний часовий проміжок перший імпульс може викликати зміну, а другий імпульс можна використовувати для спостереження – подібно до спалаху фотоапарата».
На його думку, великою перевагою є те, що в експериментальному принципі не використовується матеріал і все відбувається у вільному просторі. Лазери будь-якої потужності в принципі можуть бути використані в майбутньому для ще більшого стиснення. «Наше нове двофотонне стиснення дозволяє нам перейти в нові виміри часу і, можливо, навіть знімати ядерні реакції», — говорить Баум. Джерело