20 attosekund - najkrótszy przedział czasu, jaki kiedykolwiek zarejestrowano
Ponad sto lat temu Albert Einstein rozwiązał pozorny paradoks tkwiący w teorii fotoemisji, opisując światło jako składające się z cząstek zwanych fotonami a nie z fal. Od tamtej pory fotoemisję wyjaśniano jako proces, w którym elektron jest natychmiast wyrzucany z atomu, po tym jak atom pochłonie energię fotonu. Obecnie fizycy, których prace są finansowane ze środków unijnych, pokazują, że nie dzieje się tak natychmiast. Dążąc do udowodnienia, że istnieje pewne opóźnienie po tym jak foton uderza w elektron, zespołowi udało się zmierzyć najkrótszy przedział czasu zarejestrowany dotąd w naturze. Pogłębienie wiedzy na temat tych maleńkich interakcji dostarcza cennych informacji na temat wszystkich procesów biologicznych i chemicznych. Wyniki badań opublikowano w magazynie Science. Badania przeprowadzili fizycy z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka, Technische Universität München oraz Ludwig-Maximilians-Universität München w Niemczech, którzy współpracowali z fizykami z Arabii Saudyjskiej, Austrii i Grecji. Ich prace zostały dofinansowane ze środków unijnych w formie grantu reintegracyjnego Marie-Curie oraz grantu dla początkujących naukowców Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN). Aby uwolnić elektrony z orbitali atomu strzelano szybkimi seriami impulsów światła laserowego w atomy neonu przez mniej niż cztery femtosekundy (femtosekunda to jedna biliardowa sekundy). Atomy były jednocześnie uderzane przez impulsy skrajnego nadfioletu, które trwały kolejne 180 attosekund (attosekunda to jedna trylionowa sekundy). Fizycy zarejestrowali następnie, kiedy elektrony zostały wyrzucone z atomu za pomocą sterowanego pola zsynchronizowanego impulsu laserowego jako swoistego rodzaju "chronografu attosekundowego". Wynik pokazał wymierne opóźnienie czasowe rzędu około 20 attosekund między uwolnieniem elektronu zajmującego orbital 2p a elektronu zajmującego orbital 2s. Technika pomiaru wykorzystana przez fizyków jest najszybszą na świecie. Co więcej zarejestrowane 20-attosekundowe przesunięcie czasowe stanowi najkrótszy przedział czasu, jaki do tej pory został bezpośrednio zmierzony. "Jedna attosekunda, która równa się jednej trylionowej części sekundy, to niewyobrażalnie krótki przedział czasu" - wyjaśnia dr Reinhard Kienberger z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka. "Niemniej po wzbudzeniu przez światło jeden z elektronów opuszcza atom wcześniej niż drugi. Stąd byliśmy w stanie pokazać, że elektrony "wahają" się przez chwilę zanim opuszczą atom." Członkowie zespołu z Austrii, Grecji i Niemiec określili, że to wahanie trwało pięć attosekund. Powody, dla których elektrony wahają się w ten sposób przed wyrzuceniem pozostaje kwestią otwartą do interpretacji. Dr Vladislav Yakovlev, również z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka, wyjaśnia: "Wydajność obliczeniowa potrzebna do modelowania tego typu wieloelektronowego systemu przekracza moce obliczeniowe dzisiejszych superkomputerów." Niemniej fizycy sugerują, że jedną z przyczyn może być połączenie interakcji między elektronami oraz między elektronami a ich jądrem atomowym. "Interakcja elektron-elektron może wówczas oznaczać, że mija krótka chwila zanim elektron wstrząśnięty padającą falą światła zostanie uwolniony przez inne elektrony i będzie mógł opuścić atom" - mówi dr Martin Schulze z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka. Dr Ferenc Krausz z Ludwig-Maximilians-Universität München podkreśla dalekosiężne konsekwencje osiągnięć zespołu: "Te jak dotychczas słabo poznane interakcje mają zasadniczy wpływ na ruchy elektronów w tych najmniejszych skalach, które wyznaczają tok wszystkich procesów biologicznych i chemicznych, czy też szybkość mikroprocesorów stanowiących serce komputera."
Kraje
Austria, Niemcy, Grecja, Arabia Saudyjska