Вимірювання часу без секундоміра Товариство Макса Планка
Новий метод використовує єдине вимірювання спектру поглинання
Коливання електронів, зумовлене сильним лазерним імпульсом, можна відновити за допомогою одного вимірювання спектру поглинання. Для цього не потрібні імпульси насоса та тестових імпульсів як сигналів запуску та зупинки. Нова концепція обіцяє в майбутньому застосування надшвидких процесів у хімії та біологічних реакціях. [Фізичні оглядові листи, 26 жовтня 2018 р.]
Розуміння та контроль надшвидкої квантової динаміки в речовині є однією з центральних проблем сучасної фізики. У більшості випадків реакція досліджуваної системи на зовнішнє збурення, напр. B. збудження, виміряне за схемою насос-зонд. Перший лазерний імпульс запускає динамічний процес, який потім запитується другим лазерним імпульсом із змінною затримкою. На даний момент це дозволяє вимірювати надшвидкі рухи до часових шкал фемто- і аттосекунд, які складають мільйонну або мільярдну частину мільярдної секунди. Однак виміряти динаміку зв’язаних електронів під впливом напружених лазерних полів все ще важко в режимі реального часу. Одним із способів цього є виділення з вимірювань хвилеподібного коливання заряду електрона, яке називається «дипольною реакцією».
Загалом, хвиля та її комплементарний спектр, обидва математично пов'язані за допомогою перетворення Фур'є, описуються комплексними числами, кожне з яких має дві реальні величини: амплітуду та фазу. Перша пов’язана з інтенсивністю, друга - з часом. Якщо систему збуджує дуже короткий лазерний імпульс, просте перетворення Фур'є вимірюваного спектра поглинання дозволяє відновити часовий розвиток дипольної реакції. Це вже було відомо для режиму слабких світлових полів під терміном "лінійна реакція".
Рис. 1: Дипольна реакція атома He, модифікованого ІЧ-лазерним імпульсом після збудження УФ-лазерним імпульсом. Спектр пов'язаний з функцією відповіді за допомогою перетворення Фур'є (FT).
Зараз фізики з Інституту ядерної фізики Макса Планка та Віденського технічного університету (TUW) показали, що цю концепцію можна узагальнити на випадок сильного додаткового лазерного імпульсу, який керує дипольною реакцією електронів. Рис. 1 ілюструє експериментальну процедуру, проведену Вейтом Стоссом у групі Крістіана Отта та Томаса Пфайфера на MPIK: Ультракороткий (аттосекундний) ультрафіолетовий лазерний імпульс (УФ, синій) безпосередньо супроводжується інтенсивним фемтосекундним інфрачервоним імпульсом (ІЧ, червоний), дипольна реакція (фіолетова) зразка - тут атом гелію - модифікована. Аналізується спектр УФ-поглинання, до якого вносять випромінюваний аттосекундний імпульс та дипольна реакція (праворуч). Залежну від часу функцію відгуку, керовану сильним ІЧ-полем, можна відновити за виміряним спектром за допомогою перетворення Фур'є.
Рис. 2: Реконструйована дипольна реакція (синя) для трьох різних інтенсивностей ІЧ. Теорія: моделювання "Ab Initio" (зелений), "модель кількох станів" (оранжевий), експоненціальний розпад (пунктир чорним).
Продемонстрований тут підхід тимчасової реконструкції не робить жодних припущень щодо досліджуваного зразка і тому, як правило, повинен застосовуватися до складних систем, таких як великі молекули у розчинах, або для експериментів із лазерами з вільними електронами, в яких повна інформація реєструється одним кадром. Крім того, концепція навіть не обмежується лазерними полями, але може застосовуватися до будь-якого типу взаємодії.