Menekülés A Nucleus Elől: Megfigyeltük Az Ionizációt A Kvantumcsatornázáson Keresztül

Az attosecundos lézerimpulzusok lehetővé teszik az elektron szökésének egy nem gyakori formájának első közvetlen megtekintését.

Az atomtól való felszabaduláshoz a negatív töltésű elektronnak általában nagy energiájú fotont kell elnyelnie, például az ultraibolya (UV) vagy a röntgenspektrumból. Az elektron ekkor elég izgatott lesz ahhoz, hogy legyőzze az elektrosztatikus vonzerőt, amely a pozitív töltésű maghoz tartja, és megszökik, az ionizációnak nevezett folyamatot. Egy német-holland csapat először nyújtott be közvetlen bizonyítékot egy alternatív mechanizmusra. A lézerimpulzusból származó erős elektromos mezők pillanatnyilag gyengíthetik az elektrosztatikus kötéseket, és lehetővé tehetik, hogy az elektron kvantummechanikusan alagútba kerüljön az atomtól.

Leonyid Keldysh, aki jelenleg a moszkvai Lebedev Fizikai Intézetben dolgozik, 1964-ben jósolta a hatást, és a kísérletek már bebizonyították, hogy ilyen szokatlan ionizáció előfordulhat. De csak néhány száz attoszekundumig tartó lézerimpulzusok megjelenésével figyelhetik meg a fizikusok a jelenséget. (Egy attoszekundum a másodperc milliomodmilliárd része.) Az attoszekundum lézerimpulzusok már lehetővé tették az elektronok atomokban és molekulákban való mozgásának vizsgálatát, és a továbbfejlesztett verziók lehetővé teszik a kutatók számára az elektronmozgások nyomon követését, amelyek például kémiai reakciók.

Krausz Ferenc, a németországi Garchingban található Max Planck Quantum Optics Intézet és csapata az április 5-i természetben leírják ionizációs kísérletüket. A neonatomok gázát megcélozva a csoport először egy 250 attoszekundumos UV lézerimpulzust alkalmazott, hogy egy elektront távolabb toljon a magtól. Szinte egyszerre a fizikusok 5 000 attoszekundum hosszú infravörös impulzust adtak ki, amelynek elektromos mezője csak néhány ciklust leng. A mező gyengítette az elektrosztatikus erőt, és lehetővé tette a meglazult elektron alagútját, amint ezt a kvantumrészecskék is megtehetik, ha vékony gáttal szembesülnek. Az UV és az infravörös impulzusok közötti idő kis lépésekkel történő növelésével a kutatók megállapították, hogy a képződött neonionok száma párhuzamosan nőtt, egyértelműen jelezve, hogy amikor az infravörös lézerimpulzus elektromos mezője eléri a maximumot, a termelődött ionok sebessége nőtt is.

Keldysh erős mező ionizációjának elmélete számos más elmélet részévé vált, és az eredmény "valójában nem drámai meglepetés" - vallja be Krausz. De kritikus szempontból "a csapat új módszert mutatott be a mérések elvégzésére" - kommentálja Paul Corkum, a kanadai Ottawai Nemzeti Kutatási Tanács fizikusa. A technika pedig olyan rosszul megértett folyamatokat vizsgálhat, amelyek során az elektronok energiát cserélnek egymással.

Példaként Krausz megemlíti az atomokban a "felrázás" folyamatot, amely akkor következik be, amikor egy energetikai röntgensugár foton a maghoz közeli elektront rúg ki. Elrepülés közben ez az elektron energiájának egy részét átadhatja egy másik elektronnak, amely ezután izgatottá válik, és távolabb mozog a magtól. Ezért kis késés állhat fenn a röntgensugár fotonjának a kilökődött elektron által történő abszorpciója és a második elektron áthelyezése között. A késés - jegyzi meg Krausz - "akár 50 attosecund is lehet; senki sem tudja igazán". A késés hossza nem izgalmas, elmagyarázza, hogy a lényeg az lenne, hogy létezik-e egyáltalán késés. A késés azt jelentené, hogy a második elektron energiát kapott az elsőtől, és nem véletlenül és egyszerre gerjesztette a röntgensugár fotonja.

Krausz azt állítja, hogy most 100 másodperces UV-impulzusokat ért el, így hamarosan megoldhatja ezt a rejtvényt. A lézerek javulásával az elkövetkező években biztosan követni fogják a többi kérdésre adott válaszokat, ha nem is az elkövetkező attos másodpercekben.