Un attoclock completamente ottico per il tunneling delle immagini dei pacchetti d’onda

Immagine di una molecola (due sfere verdi collegate) che viene irradiata da un campo forte, perde il suo elettrone e l’elettrone, durante questo processo, irradia luce che poi rileviamo e analizziamo. Credito: Babushkin et al.

Gli attoclock, o orologi ad attosecondi, sono strumenti che possono misurare intervalli di tempo sulla scala degli attosecondi misurando il tempo impiegato dagli elettroni per uscire dagli atomi. La procedura attosecond è stata introdotta per la prima volta da un gruppo di ricerca guidato da Ursula Keller nel 2008.

I ricercatori dell’Università Leibniz di Hannover, del Max Born Institute e di altri istituti in Europa hanno recentemente sviluppato un nuovo attoclock completamente ottico. Questo orologio è stato introdotto in un articolo pubblicato in Fisica della naturapotrebbe essere utilizzato per raccogliere misurazioni risolte nel tempo in sistemi di materia condensata, cosa che non è mai stata raggiunta finora.

“Il tunneling è un processo intrinsecamente quantomeccanico, e quindi al di là della nostra ‘immaginazione classica'”, Ihar Babushkin, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, Phys.org. “Il tunneling degli elettroni fuori dagli atomi avviene quando mettiamo gli atomi in un campo elettrico molto forte. Il campo può essere reso così forte da “strappare” gli elettroni dagli atomi, ma gli elettroni devono attraversare una barriera prima di lasciare l’atomo”.

Il tunneling, il processo attraverso il quale gli elettroni lasciano gli atomi, avviene molto rapidamente. Alcuni fisici hanno persino suggerito che durante il tunneling gli elettroni viaggiano più veloci della luce e hanno cercato di testare questa ipotesi utilizzando gli strumenti di misurazione dell’attoclock esistenti.

“Il tempo più veloce attualmente misurabile è di circa un attosecondo”, ha spiegato Babushkin. “Un attosecondo fa 10-18 secondi, che è correlato a un secondo all’incirca come un secondo all’età dell’universo, o anche di più.”

In passato, la maggior parte dei ricercatori ha studiato il tunneling cercando di catturare gli elettroni dopo che hanno lasciato gli atomi. Sebbene questo metodo abbia portato ad alcuni risultati interessanti, è spesso molto complesso e costoso da implementare, pur non esaminando direttamente il tunneling.

Nel loro articolo, Babushkin e i suoi colleghi hanno introdotto un metodo alternativo per studiare direttamente il tunneling, che è anche più economico e preciso rispetto alle tecniche precedenti. Questo nuovo metodo esamina in modo specifico la radiazione rilasciata dagli elettroni durante il processo di tunneling e la sua successiva dinamica.

“Questo è possibile perché qualunque cosa accada a un elettrone, esso irradia un po’ di luce”, ha detto Babushkin. “Il nostro metodo è molto insolito dal punto di vista della ‘normale intuizione’. Supponiamo di provare a misurare qualcosa di molto corto, come il battito d’ali di una farfalla. Per fare ciò, hai bisogno di un orologio che funzioni più velocemente del battito. E se invece cercassi di utilizzare un antico orologio solare, che può misurare le ore, ma non i minuti e sicuramente non i secondi? Potrebbe sembrare controintuitivo, eppure il periodo delle onde luminose che raggiungiamo per misurare le scale temporali degli attosecondi è uno miliardi (109) volte maggiore di attosecondi. Ma, come abbiamo mostrato, questo è davvero possibile!”

In sostanza, l’attoclock sviluppato da Babushkin e dai suoi colleghi cattura la luce che si irradia dagli elettroni mentre lasciano gli atomi e ne misura la polarizzazione. Perché funzionasse come un “orologio”, tuttavia, il forte campo elettrico che lasciava l’atomo, noto anche come “campo guida”, doveva variare nel tempo ed essere polarizzato circolarmente.

“Se la luce è polarizzata circolarmente, il campo elettrico ruota con il tempo come una lancetta di un orologio”, ha detto Babushkin. “Per far irradiare la luce alla frequenza più bassa possibile, dovevamo prendere due componenti di frequenza nel campo guida. Con questo, la risposta dell’elettrone può essere nell’intervallo di terahertz (un terahertz corrisponde a 1012 Hertz e un Hertz è la misura della frequenza corrispondente a un’oscillazione al secondo).”

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che misurando la polarizzazione della radiazione terahertz emessa dall’apparecchio potevano accedere alla sua dinamica alla scala degli attosecondi. Questo è stato un risultato inaspettato, poiché le scale temporali di terahertz e attosecondi differiscono di nove ordini di grandezza.

“Dato che la misurazione della polarizzazione della luce è molto più precisa della misurazione degli elettroni, il nostro attoclock ottico può essere molto più preciso della normale procedura dell’attoclock”, ha affermato Babushkin. “Sebbene nel presente articolo abbiamo fatto una presentazione proof-of-principio dell’attoclock che estrae per lo più le stesse informazioni del tradizionale, in futuro possiamo andare anche oltre un attosecondo e misurare tempi già nell’intervallo di zeptosecondi, qualcosa che era così di gran lunga inesistente in fisica.”

I ricercatori hanno già utilizzato con successo il loro prototipo di attoclock per misurare qualcosa che non era mai stato rilevato utilizzando l’attoclock tradizionale, ovvero una leggera asimmetria nel processo di ionizzazione. In futuro, ritengono che potrebbe essere utilizzato anche per raccogliere misurazioni risolte nel tempo in sistemi in cui non è possibile rilevare gli elettroni, come i solidi.

Attualmente, a causa dei loro elevati costi di fabbricazione, gli attoclock possono essere prodotti solo in relativamente pochi laboratori in tutto il mondo. Poiché il sistema creato da Babushkin e dai suoi colleghi è stato costruito utilizzando componenti molto più economici rispetto a quelli alla base di altre realizzazioni esistenti dell’attoclock, alla fine potrebbe consentire la raccolta di misurazioni dell’attoclock in più istituti in tutto il mondo.

“Il nostro attoclock potrebbe avere molte applicazioni diverse”, ha aggiunto Babushkin. “Siamo particolarmente interessati a provare ad applicarlo nei solidi. Questa è una delle direzioni in cui la tradizionale procedura attoclock non funziona affatto. Attualmente, i processi eccitati da forti campi ottici nei solidi sono al limite della scienza dei secondi e crediamo che il nostro nuovo strumento aiuterà a raccogliere molte informazioni interessanti”.


Attoclock completamente ottico per pacchetti d’onda di tunneling di imaging


Maggiori informazioni:
Attoclock completamente ottico per pacchetti d’onda di tunneling di imaging. Fisica della natura(2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01505-2.

Misurazioni del tempo di ritardo di tunneling e ionizzazione ad attosecondi in elio. scienza(2008). DOI: 10.1126/scienza.1163439.

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Citazione: Un attoclock completamente ottico per pacchetti d’onda di tunneling delle immagini (2022, 24 marzo) recuperato il 24 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-fully-optical-attoclock-image-tunnelling.html

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