Вимірювання в аттосекундному масштабі

Команда з Віденського технологічного університету разом з дослідницькими групами з Гархинга, Мюнхена і Берліна визначила тривалість фотоефекту на поверхні вольфраму. Фотоелектричний ефект відіграє важливу роль у багатьох технічних областях, наприклад, у сонячних батареях або при перетворенні даних з волоконно-оптичного кабелю в електричні сигнали. Це відбувається за шкалою часу в аттосекундному діапазоні. Аттосекунда – це  одна мільярдна частина мільярдної частки секунди.

“За допомогою ультракоротких лазерних імпульсів стало можливим вперше отримати уявлення про тривалість таких ефектів. Разом з нашими колегами з Німеччини ми змогли визначити часовий інтервал між різними квантовими стрибками і показати, що різні квантові стрибки займають різні проміжки часу”.

– професор Йоахім Бургдорфер.

Як пояснюють вчені, раніше визначали тільки різницю в часі, але не абсолютну тривалість так як дуже складно знайти “годинник”, який починає йти саме на початку квантового стрибка. Це стало можливим завдяки поєднанню кількох експериментів, комп’ютерного моделювання і теоретичних розрахунків.

Три атомні годинники

Для того, щоб отримати абсолютну, точно калібровану опорну шкалу, вчені спочатку вивчали електрони, вирвані з атомів гелію лазерними імпульсами. Після атоми гелію використовувалися в якості “опорного годинника”. Під час другого експерименту фотоемісію гелію і йоду порівняли, таким чином, калібруючи “йодний годинник”. Нарешті, на третьому і останньому кроці можна було використовувати атоми йоду для вивчення фотоемісії електронів з поверхні вольфраму – ефект, який команда хотіла виміряти. Атоми йоду осідали на поверхні вольфраму, а після цього їх били ультракороткими лазерними імпульсами. Тепер атоми йоду слугували опорними годинниками, за допомогою яких можна було вимірювати фотоемісію з поверхні вольфраму.

“Атом гелію дуже простий: в цьому випадку ми можемо точно розрахувати тимчасову еволюцію фотоемісії. Для більш складних об’єктів, таких як металеві поверхні, це було б неможливо навіть з найкращими суперкомп’ютерами”.

– професор Крістоф Лемелл.

В якості стартового сигналу, з якого починається процес, використовується ультракороткий лазерний імпульс. Електрони вивільняються зі своїх атомів і “стрибають” в інший квантовий стан, де вони можуть досягати поверхні вольфраму та віддалятися.

“Тривалість цього процесу може бути вивчена особливо добре у вольфрамі, тому що можна чітко визначити інтерфейс матеріалу. Поверхня вольфраму – відмінний майданчик для вимірювання електронного часу”.

– професор Флоріан Лібіш.

Тривалість процесу фотоемісії залежить від початкового стану електронів. Він варіюється від 100 аттосекунд для електронів від внутрішніх оболонок атомів вольфраму до 45 аттосекунд для електронів зони провідності.

“Це дає нам можливість вивчити важливі фізичні процеси з точністю, яка була б немислима кілька років тому”.

–  Йоахім Бургдорфер.

Дізнатись більше : TU Wien