Вченим вдалося виміряти час явища з точністю до однієї зептосекунди

Вченим вдалося виміряти час між моментом удару фотона світла в атом гелію і моментом вивільнення одного з електронів цього атома з точністю однієї зептосекунди.

Групі вчених-фізиків з Мюнхенського університету Людвіга-Максиміліана (Ludwig Maximilians Universitat Munchen, LMU Munich) та Інституту квантової оптики Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics, MPQ) вдалося виміряти час між моментом удару фотона світла в атом гелію і моментом вивільнення одного з електронів цього атома з точністю однієї зептосекунди (трильйонної мільярдної частки секунди, 10 ^ -21). І це є першим разом в історії науки, коли проміжок часу був визначений за такою безпрецедентно високою точністю.

Явище, про яке йшлося вище, називається Фотоіонізація. В результаті поглинання і квантового перерозподілу енергії всередині атома після удару по ньому фотона світла один з електронів покидає межі атома і атом перетворюється в іон. У разі атома гелію енергія фотона розподіляється між двома електронами або повністю поглинається одним з них. Але результат в обох випадках завжди однаковий – один з електронів покидає межі атома. В даному процесі працюють не тільки принципи звичайного, але і квантової механіки, і тому високоточне вимірювання часу явища фотоіонізації дає вченим в руки підтвердження деяких аспектів квантової теорії.

Вигнання електрона з атома в результаті явища фотоіонізації називається фотоемісією, фотоелектричним ефектом, визначеним у статті Альберта Ейнштейна в 1905 році. Це явище служить підтвердженням того, що енергія світла передається у вигляді дискретних пакетів, а все це разом узяте є однією з основ сучасної квантової теорії.

Для того, щоб побачити явище фотоіонізації потрібні високоенергетичні лазери і камери з неймовірно високою швидкістю зйомки . Рівень енергії, що вимагається для фіксації явища фотоіонізації , знаходиться в районі одиниць і десятків мегаелектронвольт (MeV), а час, за який відбувається явище, знаходиться в межах 5-15 аттосекунд (аттосекунди – 10 ^ -18 секунди).

Природно, що для того , щоб зафіксувати настільки швидкоплинні процеси, потрібна особлива камера. Навіть такі високошвидкісні камери, як японська система STAMP , здатні фіксувати зображення в межах фемтосекунд (10 ^ -15 секунди), занадто повільні. Нова система, розроблена фізиками з Мюнхена, працює на порядки швидше, дозволяючи фіксувати події, що тривають близько 850 зептосекунд.

Для того, щоб отримати таку високу швидкість зйомки, дослідники використовували аттосекундні імпульси світла ультрафіолетового лазера, які змішувалися з імпульсами інфрачервоного лазера, тривалістю в чотири фемтосекунди. Цей сумарний імпульс і бив в спостережуваний атом гелію, а факт вигнання з нього електрона моментально фіксувався за допомогою інфрачервоного лазерного імпульсу. Змінюючи характеристики змінного електромагнітного поля високоенергетичного ультрафіолетового лазерного імпульсу, що виганяється електрон або прискорювався або сповільнювався, а зміни цієї швидкості дозволили вченим обчислити час явища фотоіонізації з точністю до зептосекунди.

Даний експеримент має дуже важливе значення для галузі квантової механіки, адже вченим вперше вдалося встановити, що енергія фотона, поглинена атомом гелію, має квантову природу, і її кількість розподіляється між двома електронами в повній відповідності з постулатами квантової теорії. Атоми гелію були обрані для цих експериментів далеко не випадково, їх просту будову дозволяє обчислити їх властивості та поведінку в тих чи інших випадках з досить високою точністю. А вимір явища фотоіонізації з точністю в зептосекунду означає остаточне підтвердження відповідності між теорією і експериментами.