Фізики розрізнили рекордно короткі проміжки часу

Фізики з Німеччини, Австрії та Іспанії вперше простежили за динамікою відриву електрона від атома гелію з тимчасовою роздільною здатністю 850 зептосекунд. Це дозволило перевірити працездатність двоелектронного рівняння Шредінгера на рекордно коротких часових проміжках. Крім того, як зазначають вчені, дослідження дає фізикам стандарт, що дозволяє точно визначати момент початку взаємодії світла з матерією. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє New Scientist.


Явище фотоефекту було відкрито і вивчено в 1880-х роках в дослідах Генріха Герца і Олександра Столєтова. Під дією ультрафіолету електрони покидали метал, що, як стало зрозуміло пізніше, було пов'язано з поглинанням ними квантів світла - фотонів. Пояснення фотоефекту запропонував 1905 року Альберт Ейнштейн. Згодом це явище стало одним з перших експериментальних підтверджень квантової механіки, а сам фізик отримав за свою роботу Нобелівську премію.

Довгий час відрив електрона від атома вважався моментальним одностадійним процесом. Однак у 2008 році, завдяки розвитку техніки спектроскопії, фізики з'ясували, що між поглинанням кванту світла і випусканням електрону є аттосекундна затримка. За аттосекунду (10-18, одна квінтільйонна частка секунди) світло встигає пролетіти лише три ангстреми, що можна порівняти з розміром атома. Ця затримка пов'язана зі зрушенням фази електрону через спільну дію тяжіння ядра та електронного відштовхування.

Теоретичний розрахунок цих впливів вимагає аналізу електронних кореляцій, але їх опис на сьогоднішній день неповний. Тому важливу роль відіграє експериментальне дослідження цього процесу. Нова робота присвячена дослідженню затримки фотоефекту в атомах гелію.

Фізики вибрали гелій як об'єкт дослідження, оскільки це єдина багатоелектронна система, для якої існує точне рішення нестаціонарного рівняння Шредінгера, що описує поведінку частинок в електромагнітному полі лазерного імпульсу. Будь-які більш важкі елементи потребують наближених обчислень, що знижують точність результатів - завдання взаємодії декількох тіл не має рішення в загальному випадку. У простішій ситуації атома водню електрон залишає ядро не взаємодіючи з іншими електронами (в атомі лише один електрон). В атомі гелію є позитивно заряджене ядро і два електрони.

Експеримент для дослідження затримки фотоефекту був побудований наступним чином. У перший момент часу атом гелію взаємодіяв з аттосекундним імпульсом жорсткого ультрафіолетового випромінювання (10,5 - 13,2 нанометра). Потім збуджену систему, від якої вже починав відриватися електрон, опромінювали за допомогою фемтосекундного (10-15 секунди) імпульсу інфрачервоного лазера. Ключовим в експерименті було точне знання різниці в часі між пусками імпульсів.

Роль другого імпульсу полягала в зондуванні системи. Досліджуючи те, як інфрачервоне випромінювання взаємодіяло з атомом гелію при різних затримках між основним і зондуючим імпульсом, вчені визначали електронну структуру атома. Характерний час коливання ультрафіолетового випромінювання становив близько 35-45 аттосекунд, але багаторазове повторення і статистична обробка експерименту дозволили отримати тимчасовий дозвіл у 850 зептосекунд (тисячних часток аттосекунди).

Вчені визначили, що затримка фотоефекту склала в експерименті від 7 до 20 аттосекунд. Ця величина залежала від того, як сильно взаємодіяв електрон зі своїм сусідом і ядром. Крім того, автори визначили, як розподілялася енергія між двома електронами в гелії: у деяких випадках поділ був нерівним. Порівняння експериментальних результатів і теорії дозволило показати, що рівняння Шредінгера добре описує поведінку систем і на таких коротких проміжках - близько 10-19 секунди.

На масштабі аттосекунд відбуваються процеси перебудови електронної структури атомів і молекул. Так, нещодавно ми повідомляли про дослідження перебудови електронів в молекулах метілброміду - вона займала десятки аттосекунд. Аналогічна схема експерименту з двома імпульсами використовується і в інших дослідженнях швидких процесів: наприклад, відриву атома водню від ацетилену і розриву молекули іоду. Оскільки динаміка атомів повільніша, ніж динаміка електронів, для дослідження реакцій було достатньо тимчасового дозволу в 0,6 і 30 фемтосекунд відповідно.

COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND