Un impulso laser colpisce un atomo di elio. Uno degli elettroni viene strappato dall'atomo, l'altro elettrone può cambiare il suo stato quantico. Attestazione:TU Wien
Quando un sistema quantistico cambia il suo stato, questo è chiamato salto quantico. Generalmente, questi salti quantici sono considerati istantanei. Ora, nuovi metodi per misurazioni ad alta precisione ci permettono di studiare l'evoluzione temporale di questi salti quantistici. Su una scala temporale di attosecondi, la loro struttura temporale diventa visibile. È la misurazione del tempo più accurata dei salti quantici fino ad oggi.
Le particelle quantistiche possono cambiare il loro stato molto rapidamente:questo è chiamato "salto quantico". un atomo, Per esempio, può assorbire un fotone, cambiando così in uno stato di energia superiore. Generalmente, si pensa che questi processi avvengano istantaneamente, da un momento all'altro. Però, con nuovi metodi, sviluppato presso TU Wien (Vienna), è ora possibile studiare la struttura temporale di tali cambiamenti di stato estremamente rapidi. Proprio come un microscopio elettronico ci permette di dare un'occhiata a minuscole strutture che sono troppo piccole per essere viste ad occhio nudo, impulsi laser ultracorti ci permettono di analizzare strutture temporali che prima erano inaccessibili.
La parte teorica del progetto è stata svolta dal team del Prof. Joachim Burgdörfer presso TU Wien (Vienna), che sviluppò anche l'idea iniziale per l'esperimento. L'esperimento è stato eseguito presso il Max-Planck-Institute for Quantum Optics a Garching (Germania). I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Fisica della natura .
La misurazione del tempo più accurata dei salti quantici
Un atomo di elio neutro ha due elettroni. Quando viene colpito da un impulso laser ad alta energia, può essere ionizzato:uno degli elettroni viene strappato dall'atomo e si allontana da esso. Questo processo avviene su una scala temporale di attosecondi:un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo.
"Si potrebbe immaginare che l'altro elettrone, che resta nell'atomo, non gioca davvero un ruolo importante in questo processo, ma non è vero", dice Renate Pazourek (TU Wien). I due elettroni sono correlati, sono strettamente collegati dalle leggi della fisica quantistica, non possono essere visti come particelle indipendenti. "Quando un elettrone viene rimosso dall'atomo, parte dell'energia laser può essere trasferita al secondo elettrone. Rimane nell'atomo, ma è elevato a uno stato di energia più elevata", dice Stefan Nagele (TU Wien).
Una volta che un fotone ha rimosso un elettrone da un atomo di elio, è possibile calcolare la probabile posizione dell'elettrone rimanente. La posizione più probabile dell'elettrone è mostrata nell'immagine come l'area più luminosa attorno al nucleo atomico (che a sua volta non è visibile nell'immagine) Credito:M. Ossiander (TUM) / M. Schultz (MPQ)
Perciò, è possibile distinguere tra due diversi processi di ionizzazione:uno, in cui l'elettrone rimanente guadagna energia aggiuntiva e uno, in cui rimane in uno stato di minima energia. Utilizzando una sofisticata configurazione sperimentale, è stato possibile dimostrare che la durata di questi due processi non è esattamente la stessa.
"Quando l'elettrone rimanente salta in uno stato eccitato, il processo di fotoionizzazione è leggermente più veloce - di circa cinque attosecondi", dice Stefan Nagele. È notevole come i risultati sperimentali siano in accordo con i calcoli teorici e le simulazioni al computer su larga scala effettuate presso il Vienna Scientific Cluster, Il più grande supercomputer dell'Austria:"La precisione dell'esperimento è migliore di un attosecondo. Questa è la misurazione del tempo più accurata di un salto quantico fino ad oggi", dice Renate Pazourek.
Controllo degli Attosecondi
L'esperimento fornisce nuove informazioni sulla fisica delle scale temporali ultracorte. Effetti, che fino a qualche decennio fa erano ancora considerati "istantanei" possono ora essere visti come sviluppi temporali calcolabili, misurato e perfino controllato. Questo non solo aiuta a comprendere le leggi fondamentali della natura, porta anche nuove possibilità di manipolazione della materia su scala quantistica.
