Πειραματικές μέθοδοι που προσεγγίζουν χρονικές κλίμακες αττοδευτερολέπτου

Iστορικό υπόβαθρο
Με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2023 τιμήθηκε η έρευνα για την μελέτη της κίνησης ηλεκτρονίων σε άτομα, μόρια και στην συμπυκνωμένη φάση της ύλης διαμέσου της φασματοσκοπίας αττοδευτερολέπτου (attosecond).

Το Νόμπελ Φυσικής 2023 απονεμήθηκε στους: στους Pierre Agostini (The Ohio State University, Columbus, HΠΑ), Ferenc Krausz (Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching and Ludwig-Maximilians-Universität München, Γερμανία) και Anne L’Huillier (Lund University, Σουηδία…) «για την ανάπτυξη πειραματικών μεθόδων που παράγουν παλμούς φωτός διάρκειας attosecond για την μελέτη της δυναμικής των ηλεκτρονίων στην ύλη». Υπενθυμίζεται ότι 1 attosecond=1×10⁻¹⁸ sec =0,000000000000000001 sec.

Όταν ο Werner Heisenberg διατύπωσε τη νέα κβαντική μηχανική το 1925, το κύριο επιχείρημά του ήταν ότι η παλιά κβαντομηχανική ανάγκασε τους φυσικούς να χρησιμοποιήσουν ποσότητες που «αξιωματικά» ήταν μη παρατηρήσιμες, όπως η θέση και η περίοδος περιφοράς του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου.

Ο Heisenberg υποστήριξε ότι μια νέα θεωρία πρέπει να βασίζεται σε παρατηρήσιμα φυσικά μεγέθη (observables), όπως οι συχνότητες των κβαντικών αλμάτων.
Η ενορατική εργασία του Heisenberg του 1925 να είναι μια από τις πιο σημαντικές στη φυσική του 20ου αιώνα. Όμως, δεν μπορούσε να προβλέψει ότι εκείνα που τότε ήταν σύμφωνα με τις «θεμελιώδεις αρχές» μη παρατηρήσιμα θα γίνονταν σήμερα προσιτά σε εργαστηριακά πειράματα. Μπορεί να μην είμαστε ακόμη σε θέση να παρατηρήσουμε, με την αυστηρή έννοια, τη θέση και την περιφορά ενός ηλεκτρονίου γύρω από έναν πυρήνα, αλλά σήμερα, μπορούμε να «δούμε»σε εργαστηριακά πειράματα την δυναμική των ηλεκτρονίων σε άτομα, μόρια και στη συμπυκνωμένη φάση της ύλης.

Πώς είναι δυνατόν αυτό; Απλά επιχειρήματα που βασίζονται σε σύγκριση της εγγενούς ατομικής μονάδας του χρόνου, περίπου 24∙10⁻¹⁸ s=24 as (attoseconds) και της χρονικής κλίμακας ενός απλού κύκλου οπτικού παλμού, περίπου 10⁻¹⁵ s ή 1 femtosecond (fs), δείχνουν ότι δεν θα ήταν ποτέ δυνατό να μελετηθεί η δυναμική του ηλεκτρονίου σε πραγματικό χρόνο. Πράγματι, για αρκετό καιρό, ο συντομότερος παλμός που παρήγαγαν τα εργαστήρια λέιζερ ήταν περίπου 6 fs. Η πειραματική ανάπτυξη σύντομων οπτικών παλμών έχει συνδεθεί στενά με τις τεχνικές εξελίξεις στην τεχνολογία λέιζερ, όπως η εγκλείδωση ρυθμών (mode locking) και οι μετρήσεις διάρκειας παλμών φωτός.

Αυτό κατέστησε δυνατή την ανίχνευση του τρόπου με τον οποίο τα άτομα κινούνται σε ένα μόριο και ειδικότερα, τη δυνατότητα μελέτης των «φευγαλέων» μεταβατικών καταστάσεων στις χημικές αντιδράσεις, μελέτες για τις οποίες ο Ahmed Zewail τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας το 1999.

Όλες οι εξελίξεις στη δυνατότητα μέτρησης των πιο σύντομων χρονικών διαστημάτων από τις αρχές του 15ου αιώνα (~ένα δευτερόλεπτο) βασίστηκαν στην πρόοδο της τεχνολογίας. Αλλά το σπάσιμο του φράγματος 1 femtosecond (fs) απαιτούσε μια αλλαγή παραδείγματος βασισμένη στη θεμελιώδη φυσική.

Ο μακρύς δρόμος προς παλμούς φωτός αττοδευτερολέπτων
Κατά την διάρκεια της δεκαετίας του 1980, αρκετές ερευνητικές ομάδες παρήγαγαν και μελέτησαν φορτισμένα ατομικά ιόντα – άτομα χωρίς ή με λίγα ηλεκτρόνια. Οι ερευνητές βασίστηκαν σε διαφορετικές προσεγγίσεις, με την χρήση προηγμένων πηγών ιόντων και λέιζερ υψηλής ισχύος. Έδειξαν πώς οι διαδικασίες ιονισμού πολυφωτονικού ιονισμού ατόμων μπορούσαν να παράγουν πολλαπλά φορτισμένα ιόντα.

Ένα φυσικό ερώτημα που έπρεπε να τεθεί ήταν «σε ποια μήκη κύματος παράγονται τα φωτόνια σε αυτές τις διαδικασίες πολυφωτονικού ιονισμού ατόμων;»
Τα πολλαπλά φορτισμένα ιόντα είναι αρκετά εύκολο να ανιχνευθούν, ενώ ο φασματικός διαχωρισμός των φωτονίων είναι πολύ πιο δύσκολο να ανιχνευθεί.
Το πρώτο πείραμα χρησιμοποιώντας υπέρυθρα φωτόνια [με μήκος κύματος 1064 νανόμετρα (nm) από ένα ισχυρό λέιζερ] πραγματοποιήθηκε σε ένα ερευνητικό κέντρο στο Paris-Saclay στη Γαλλία και έδωσε πολύ εκπληκτικά αποτελέσματα.

Πολλές υψηλής τάξης αρμονικές παρήχθησαν όταν ευγενή αέρια ακτινοβολήθηκαν με υπέρυθρα φωτόνια έντασης 10¹³ W/cm², που αντιστοιχούσαν σε σύμφωνες εκπομπές ακτινοβολίας με συχνότητες που ήταν πολλαπλάσια της συχνότητας του λέιζερ. Ήταν εκπληκτικό το γεγονός ότι η ένταση εκπομπής των περιττών αρμονικών αρχικά μειώθηκε μάλλον απότομα, στη συνέχεια ήταν ουσιαστικά σταθερή από την 5η αρμονική μέχρι περίπου την 33η αρμονική για το αργό, και μετά μειωνόταν ξανά.

Αυτή δεν ήταν η πρώτη παρατήρηση παραγωγής υψηλών αρμονικών (Ηigh-Ηarmonic Generation: HHG), αλλά ήταν η πρώτη για την οποία παρατηρήθηκε ένα πολύ καθαρό πλατώ. Το ερώτημα παρέμενε για το ποια φυσική διαδικασία ήταν υπεύθυνη για το σχηματισμό του πλατώ και πώς θα μπορούσε να αξιοποιηθεί. Το σχήμα 1 δείχνει γενικά την ένταση εκπομπής ως συνάρτηση της συχνότητας υψηλών αρμονικών (HHG).

Σχήμα 1: Ένα γενικό φάσμα παραγωγής υψηλών αρμονικών (HHG) με τα τρία χαρακτηριστικά γνωρίσματά του: την αρχική πτώση της έντασης, την σταθεροποίησή της (πλατώ) και την αποκοπή.

Αρκετές ομάδες πρότειναν ότι το πλατώ παρείχε το εύρος ζώνης που απαιτείται για την παραγωγή πολύ σύντομων παλμών, αλλά οι προτάσεις τους διατυπώνονταν ως «κατ’ αρχήν θα έπρεπε να είναι δυνατό». Προκειμένου να γίνει πρακτική χρήση του πλατώ HHG, απαιτήθηκε η κατανόηση του μηχανισμού παραγωγής υψηλών αρμονικών (HHG).

Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε το 1991, οι Anne L’Huillier, Kenneth Schafer και Kenneth Kulander παρουσίασαν αποτελέσματα από μια αριθμητική λύση της χρονοεξαρτώμενης εξίσωσης Schrödinger και παρείχαν μια σαφή κατανόηση της διαδικασίας HHG. Πρόβλεψαν σωστά το γενικό σχήμα του φάσματος HHG (Εικόνα 1), συνειδητοποίησαν ότι το HHG είναι ένα φαινόμενο ενός ηλεκτρονίου και ξεκίνησαν την πρώτη συζήτηση για την μακροσκοπική αντιστοίχιση φάσης, η οποία απαιτούσε την επίλυση των εξισώσεων του Maxwell.

Αργότερα, η ομάδα του Kulander χρησιμοποίησε το TDSE SAE για να εξαγάγει έναν απλό τύπο για την ενέργεια αποκοπής για άτομα ευγενούς αερίου: E_c = I_p + 3U_p, όπου I_p είναι το δυναμικό ιονισμού του ατόμου και U_p είναι το δυναμικό του ανομοιογενούς πεδίου του παλμού λέιζερ (pondermotive potential) (ανάλογο με το γινόμενο της έντασης και του μήκους κύματος του λέιζερ), ή με άλλα λόγια, η μέση κινητική ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο όταν ταλαντώνεται στο πεδίο του λέιζερ. Στις αρχές του 1993, σε ένα συνέδριο στο Βέλγιο, ο Kulander έκανε μια προφορική παρουσίαση του πρόσφατα διαμορφωμένου μοντέλου επανα-σκέδασης, το οποίο δείχνει πώς παράγονται σύντομοι παλμοί στην ενεργειακή περιοχή από 10 έως 120 eV – ακραία υπεριώδης ακτινοβολία (XUV). Το Σχήμα 2 δείχνει πώς εξελίσσεται η διαδικασία σύμφωνα με το μοντέλο επανασκέδασης.

Σχήμα 2: Το επανασκέδαση, ή το ημικλασικό μοντέλο τριών βημάτων της παραγωγής υψηλών αρμονικών (Ηigh-Ηarmonic Generation: HHG). Στο πρώτο βήμα, το πεδίο λέιζερ προκαλεί ιονισμό σήραγγας. Στο δεύτερο βήμα, το πεδίο λέιζερ επιταχύνει το ηλεκτρόνιο. Όταν το πεδίο αντιστραφεί στον επόμενο μισό κύκλο, το ελεύθερο ηλεκτρόνιο μπορεί να επιστρέψει στο ιόν και να επανασυνδεθεί. Στο τρίτο βήμα, η διαδικασία επανασύνδεσης μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου σε φωτόνιο υπεριώδους ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας (XUV).

Το συναρπαστικό εύρημα του Kulander και των συνεργατών τους προέκυψε από τη θεωρητική εργασία τους σχετικά με τη διαδικασία του ιονισμού πάνω από το κατώφλι, στην οποία ένα ισχυρό πεδίο λέιζερ οδηγεί σε μεταπτώσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων. Με άλλα λόγια, το ηλεκτρόνιο καθοδηγείται στο συνεχές πάνω από το πρώτο όριο ιονισμού με βήματα που αντιστοιχούν στο μήκος κύματος του λέιζερ. Η διαδικασία του ιονισμού πάνω από το κατώφλι, ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά πειραματικά από τον Pierre Agostini και τους συναδέλφους του το 1979 και η ανακάλυψη παρέμεινε στο επίκεντρο της προσοχής στην ατομική φυσική λέιζερ ισχυρού πεδίου για μια δεκαετία.

Περίπου την ίδια εποχή που ο Kulander και η ομάδα του εργάζονταν πάνω στο μοντέλο επανα-σκέδασης, ο Paul Corkum, διατύπωσε μια εναλλακτική πρόταση, η οποία έγινε γνωστή ως μοντέλο τριών βημάτων. Η σημαντική συνιστώσα και στα δύο μοντέλα των Kulander και Corkum, είναι η δράση μεταξύ του ηλεκτρονίου και του ιόντος στη διαδικασία επανασκέδασης. Στη διαδικασία του ιονισμού πάνω από το κατώφλι, μόνο η αλληλεπίδραση του πεδίου λέιζερ και του ηλεκτρονίου είναι σημαντική.

Στο μοντέλο επανασκέδασης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, το ηλεκτρόνιο δεν διεγείρεται στο σημείο που διαφεύγει. Αντίθετα, επιστρέφει, οδηγούμενο πίσω από το πεδίο λέιζερ στο φορτισμένο ιόν που άφησε πίσω του. Στη διαδικασία ανασυνδυασμού, η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου μετατρέπεται σε φωτόνιο ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας όταν το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στο ιόν.
Το Σχήμα 2 δείχνει επίσης γιατί η ανακάλυψη του πλατώ στο φάσμα παραγωγής υψηλών αρμονικών (βλέπε Σχήμα 1) διευκολύνθηκε με τη χρήση ενός ισχυρού λέιζερ Nd:YAG στα 1064 nm, αντί της ακτινοβολίας 248 nm που χρησιμοποιήθηκε από την ομάδα toy C.K. Rhodes. Το ηλεκτρόνιο αναγκάζεται από την ακτινοβολία λέιζερ των 248 nm να επιστρέψει στο ιόν πολύ πιο γρήγορα από ό,τι στα 1064 nm, διαθέτοντας πολύ λιγότερη κινητική ενέργεια. Οι πιθανότητες για το ηλεκτρόνιο να αναπτύξει ένα πλατώ HHG είναι αρκετά λιγότερες σε αυτό το σενάριο.

Τα μοντέλα των Kulander και Corkum ήταν ημικλασικά και το 1994, οι Lewenstein, L’Huiller και Corkum, με αρκετούς άλλους συν-συγγραφείς, παρουσίασαν μια πλήρη κβαντική θεωρία που επιβεβαίωσε τις ημικλασικές ερμηνείες των Kulander και Corkum. Διαθέτοντας μια καλή θεωρητική ερμηνεία της διαδικασίας επανασκέδασης, τόσο από ημικλασική όσο και από κβαντική άποψη, ο L’Huillier και οι συνεργάτες του θα μπορούσαν τώρα να προχωρήσουν στην παρατήρηση και την κατανόηση της παραγωγής υψηλών αρμονικών (HHG), έτσι ώστε να χρησιμοποιηθεί για την δημιουργία παλμών διάρκειας αττοδρευτερολέπτων. Τα αποτελέσματα των ερευνών τους παρουσιάστηκαν σε μια σειρά δημοσιεύσεων από τα μέσα έως τα τέλη της δεκαετίας του 1990.

Η δημιουργία των παλμών φωτός αττοδευτερολέπτων
Ο οδικός χάρτης προς τη δημιουργία παλμών attosecond είχε σκιαγραφηθεί και τα θεωρητικά βήματα είχαν επαληθευτεί πειραματικά. Η επόμενη απαίτηση ήταν η ανάπτυξη μιας μεθόδου για την μέτρηση της διάρκειας των παλμών αττοδευτελολέπτου με την χρήση κατάλληλων συστημάτων λέιζερ.

Ένα σημαντικό βήμα έγινε από τον Agostini και τους συνεργάτες του το 1994, όπου ερεύνησαν την αρχή της διαμόρφωσης συχνότητας σε ένα πεδίο φωτονίων δύο χρωμάτων (μηκών κύματος). Αυτή η αρχή αναπτύχθηκε αργότερα στη (μετρολογική) τεχνική που ονομάστηκε RABBIT (reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions). Η τεχνική RABBIT καθιστά δυνατή τη μέτρηση της διάρκειας παλμού μιας σειράς παλμών αττοδευτερολέπτου εστιάζοντας τον παλμό ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας και το φως από το λέιζερ-οδηγό σε έναν στόχο ευγενούς αερίου και αναλύοντας τα φωτοηλεκτρόνια που αναδύονται από τον στόχο. Σημαντική προσφορά στην κατανόηση του φαινομένο παρείχαν επίσης οι Corkum, Burnett και Ivanov και αργότερα οι Schafer και Kulander. Στην εργασία των Corkum et al, η θεωρία χρησιμοποιήθηκε για να προτείνει πώς ένα πεδίο-οδηγός με χρονοεξαρτώμενη πόλωση θα μπορούσε να περιορίσει την αρμονική εκπομπή σε έναν μόνο κύκλο. Οι Schafer και Kulander πρότειναν επιπλέον ό,τι με βάση τη θεωρία, ένας απομονωμένος παλμός αττοδευτερολέπτου θα μπορούσε να σχηματιστεί από αρμονικές κοντά στην αποκοπή χρησιμοποιώντας έναν παλμό μερικών κύκλων.

Ακριβώς αυτή τη μέθοδο εκμεταλλεύτηκε ο Ferenc Krausz όταν παρήγαγε μεμονωμένους παλμούς διάρκειας αττοδευτερολέπτων για πρώτη φορά. Η επίτευξη απομονωμένων παλμών αττοδευτερολέπτων απαιτούσε τεχνικές εξελίξεις που ο Krausz διερεύνησε με την ερευνητική ομάδα στη Βιέννη σε συνεργασία με την ομάδα του Mauro Nisoli στο Μιλάνο. Η συνεργασία Μιλάνου-Βιέννης είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή των συντομότερων παλμών που έγιναν μέχρι τότε: 4,5 fs=4,5·10⁻¹⁵ seconds = 4500 attoseconds.

Η ομάδα στο Μιλάνο είχε πρωτοπορήσει στην τεχνική της συμπίεσης ενός παλμού λέιζερ και στη Βιέννη, η ομάδα Krausz δημιούργησε ένα ευρύ φάσμα HHG με αποκοπή περίπου στα 300 eV. Όλα ήταν πλέον έτοιμα για την παραγωγή παλμών αττοδευτερολέπτων. Το 2001, 13 χρόνια αφότου παρατηρήθηκαν τα πρώτα φάσματα HHG με λέιζερ υπερύθρων, επιδείχθηκαν παλμοί αττοδευτρολέπτων στο ParisSaclay και στη Βιέννη. Στο Paris-Saclay, στο ίδιο ερευνητικό κέντρο όπου ανακαλύφθηκε το HHG, η ομάδα Agostini παρήγαγε ένα συρμό παλμών με διάρκεια 250 as (αττοδευτερόλεπτα), όπως μετρήθηκε με τη μετρολογία RABBIT χρησιμοποιώντας αργό ως αέριο στόχο.

Στη Βιέννη, η ομάδα Krausz παρήγαγε μεμονωμένους παλμούς διάρκειας 650 as (αττοδευτερόλεπτα): για να γίνει αυτό, χρησιμοποίησαν φασματικό φιλτράρισμα για να επιλέξουν σχετικές αρμονικές με ένα πολυστρωματικό κάτοπτρο ακρα;iας υπεριώδους ακτινοβολίας. Στη συνέχεια μέτρησαν το φάσμα της κινητικής ενέργειας των 4p φωτοηλεκτρονίων που εκτοξεύτηκαν από άτομα κρυπτού κάτω από την ταυτόχρονη ακτινοβολία με φωτόνια 90 eV και ο παλμός του φωτός στα 750 nm από το λέιζερ-οδηγός παρήγαγε την αρμονική ακτινοβολία. Είχαν ανοίξει το παράθυρο για την μελέτη της δυναμικής των ηλεκτρονίων σε άτομα, μόρια και στη συμπυκνωμένη φάση ύλης.

Καθυστερημένη φωτοεκπομπή
Το άνοιγμα ενός νέου χρονικού παραθύρου κατέστησε δυνατή την απάντηση σε ερωτήσεις που προηγουμένως ήταν αδύνατο να απαντηθούν. Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε την πρώτη ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, αλλά εκείνη την εποχή, ήταν αδύνατο να μελετηθούν οι χρονικές κλίμακες που ήταν σχετικές με αυτό το φαινόμενο.

Για πολύ καιρό, οι φυσικοί υπέθεταν ότι το αποτέλεσμα ήταν ακαριαίο. Ο Αϊνστάιν τιμήθηκε τελικά με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1921 «για τις υπηρεσίες του στη Θεωρητική Φυσική και ειδικά για την ανακάλυψη του νόμου του φωτοηλεκτρικού φαινομένου». Παρενθετικά, όταν έδωσε με καθυστέρηση, στα μέσα του καλοκαιριού του 1923, την διάλεξή του για το Νόμπελ (τον Δεκέμβριο του 1922 δεν παρευρέθηκε στην Στοκχόλμη, αλλά στην Ιαπωνία), η ομιλία του δεν αφορούσε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αλλά τη θεωρία της σχετικότητας, τη θεωρία για την οποία δεν του απονεμήθηκε ποτέ βραβείο Νόμπελ.

Το θεμελιώδες ερώτημα κατάφεραν να θέσουν οι φετινοί βραβευθέντες με το Νόμπελ φυσικής ήταν «ποιά είναι η χρονική διάρκεια του φωτοηλεκτρικού φαινομένου;» Όταν ένα άτομο ή μια επιφάνεια απορροφά αρκετή ενέργεια από το εισερχόμενο φως, μπορεί να μεταφέρει αυτή την ενέργεια σε ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο στη συνέχεια εκπέμπεται με κινητική ενέργεια ίση με την ενέργεια του φωτονίου μείον την ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου. Η πολύπλοκη δυναμική της ατομικής φωτοεκπομπής έχει ως αποτέλεσμα μια μικρή χρονική καθυστέρηση και το ερώτημα είναι πόσο μικρή είναι αυτή η χρονική καθυστέρηση. Πριν ανοίξει το παράθυρο για την επιστήμη του αττοδευτερολέπτου, θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι η διαδικασία συνέβη ακαριαία, και γιαυτό η έρευνα εστίαζε στην ενέργεια. Αυτή ήταν η βάση της φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων.

Η ομάδα Krausz βρήκε σε ένα πρωτοποριακό πείραμα ότι όταν ένα άτομο νέον ιονίζεται από φωτόνια 100 eV, υπάρχει μια χρονική καθυστέρηση μεταξύ της εκπομπής ηλεκτρονίων από τα τροχιακά 2s και 2p. Το ηλεκτρόνιο 2p φεύγει πιο αργά από το άτομο σε σχέση με το το ηλεκτρόνιο 2s κατά 21 attoseconds. Αυτό μπορεί να συγκριθεί με τον φυσικό χρόνο τροχιάς των 100 attoseconds για ένα ηλεκτρόνιο 2p σε νέον. Οι καθυστερήσεις φωτοεκπομπής είναι μια υπογραφή της συλλογικής δυναμικής του νέφους ηλεκτρονίων. Η ομάδα Krausz κατέγραψε την κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων ως συνάρτηση της χρονικής μετατόπισης μεταξύ των παλμών XUV και IR.

Οι θεωρητικοί υπολογισμοί δεν μπόρεσαν να αναπαράγουν το πειραματικό αποτέλεσμα και έδωσαν αποτελέσματα περίπου δύο φορές μικρότερα. Αν και πρόκειται για περίπλοκους υπολογισμούς, διαφορετικές θεωρητικές ομάδες συμφώνησαν για τις υπολογισμένες χρονικές καθυστερήσεις.

Η ομάδα του L’Huillier αντιμετώπισε την ασυμφωνία κάνοντας χρήση του φάσματος HHG που λαμβάνεται από παρεμβολές σταθερής φάσης μεταξύ διαδοχικών παλμών attosecond. Με αυτόν τον τρόπο οι ερευνητές θα μπορούσαν να παρακάμψουν τη φυσική αντιστάθμιση μεταξύ χρονικής και φασματικής ανάλυσης, όπως είχε αποδειχθεί προηγουμένως. Το σχήμα 3 δείχνει την πειραματική διάταξη που κατασκεύασε η ομάδα στο Lund της Σουηδίας. Προκειμένου να αποφευχθεί η επικάλυψη μεταξύ των σημάτων ιονισμού ηλεκτρονίων από 2s και 2p, εφάρμοσαν φασματικό φιλτράρισμα προκειμένου να επιλέξουν αρμονικές που εκτείνονται σε λιγότερο από 27 eV. Η ενέργεια σύνδεσης του 2s υπερβαίνει αυτή του 2p κατά 27 eV. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο σχήμα 4.

Σχήμα 3. Σχηματική απεικόνιση του πειράματος στο Lund. Χρησιμοποιεί την τεχνική της “reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions (RABBIT)«. Το λέιζερ-οδηγός στα 800 nm, 30 femtosecond (fs), κατευθύνεται προς δύο διαφορετικούς βραχίονες διαμέσου ενός διαχωριστή δέσμης. Η παραγωγή υψηλών αρμονικών (HHG) σε ένα πίδακα αερίου νέον δίνει μια σειρά παλμών XUV attosecond. Οι παλμοί υπερύθρων (ΙR) από το λέιζερ-οδηγό και οι παλμοί XUV (συνήθως με εύρος ζώνης 10–20 eV) επικαλύπτονται και εστιάζονται από ένα τοροειδές κάτοπτρο στον στόχο του αερίου νέον. Τα φωτόνια XUV ιονίζουν το αέριο-στόχο και τα φωτοηλεκτρόνια αναλύονται με φασματόμετρο μαγνητικής φιάλης. Οι επικαλυπτόμενοι παλμοί IR/XUV δημιουργούν σήματα πλευρικής ζώνης που μπορούν να διαχωρίσουν τα ηλεκτρόνια (shake-up) που διεγείρονται σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας (μετα ηλεκτρόνια 2p να ιονίζονται ή να μεταβαίνουν από το τροχιακό 2p στο 3p) από τα ηλεκτρόνια 2s, παρά το γεγονός ότι η διαφορά ενέργειας είναι μόνο 7,4 eV.

Σχήμα 4. Χρονικές καθυστερήσεις στον φωτοϊονισμό του ηλεκτρονίου 2p σε σχέση με το ηλεκτρόνιο 2s στο άτομο νέον [ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ=τ(2s) −τ(2p)]. Στην πάνω εικόνα, φαίνεται το φάσμα υψηλών αρμονικών (HHG) που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα. Σημειώστε ότι το νέον χρησιμοποιήθηκε τόσο για HHG όσο και ως στόχο στο μαγνητικό φασματόμετρο φιάλης με την ένδειξη MBES στο Σχήμα 3. Οι αρνητικές χρονικές καθυστερήσεις για τον ιονισμό του 2p σε σχέση με το 2s παρουσιάζονται ως κίτρινες και κόκκινες κουκκίδες. Το πειραματικό αποτέλεσμα από την ομάδα Krausz στο Garching εμφανίζοναι με το τετράγωνο σημείο. Οι μπλε ρόμβοι δείχνουν τις διαφορές χρονικής καθυστέρησης μεταξύ shake-up και ιονισμού 2p [ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ = τ(2p→3p shake-up) − τ(2p)]. Η μαύρη συμπαγής γραμμή είναι η θεωρητική πρόβλεψη διαμέσου της θεωρίας διαταραχών πολλών σωμάτων.

Η πολύ καλή συμφωνία μεταξύ του πειράματος του Lund και των θεωρητικών υπολογισμών από τη θεωρία πολλών διαταραχών υποδηλώνει ότι το πρωτοποριακό αποτέλεσμα από την ομάδα Krausz επηρεάστηκε από τα ηλεκτρόνια που διεγείρονται σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας (shake-up). Η διαφορά ενέργειας μεταξύ ενός μόνο φωτονίου που αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο από το τροχιακό 2p, ενώ ταυτόχρονα προωθεί ένα άλλο ηλεκτρόνιο από το 2p στο 3p είναι μόνο 7,4 eV περισσότερη ενέργεια από τον άμεσο ιονισμό ενός ηλεκτρονίου 2s. Στο πείραμα Lund, τα σήματα της πλευρικής ζώνης από ηλεκτρόνια shake-up και τον ιονισμό 2s μπορούσαν να διαχωριστούν. Αυτό θα είχε μείνει άλυτο στο πείραμα του Garching.

Εφαρμογές στην επιστήμη των υλικών
Οι μελέτες της αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης σε χρονικά διαστήματα ατοδευτερολέπτων προσφάτως έχουν επεκταθεί σε νέα πεδία, εξετάζοντας μόρια, υγρά και στερεά. Ως παράδειγμα, περιγράφουμε εν συντομία ένα πείραμα που απεικονίζει με ποσοτικό τρόπο πώς η δυναμική των ηλεκτρονίων εξαρτάται από το χημικό περιβάλλον. Το Σχήμα 5 δείχνει συνοπτικά ένα πείραμα συμβολομετρίας αττοδευτερολέπτων που έχει σχεδιαστεί για τη μέτρηση της χρονικής καθυστέρησης μεταξύ της φωτοεκπομπής από υγρό νερό και από αέριο νερό.

Σε χρονικές κλίμακες attoseconds, όλοι οι τύποι δομικής δυναμικής παγώνουν, εκτός από εκείνη των ηλεκτρονίων, και έτσι το πείραμα επιτρέπει την μελέτη της δυναμικής των ηλεκτρονίων. Όπως δείχνει το σχήμα 5, μια σειρά παλμών attoseconds υπερτιθέμενη με έναν σχεδόν IR παλμό femtosecond λέιζερ αλληλεπίδρασε με νερό σε υγρή φάση και αέρια φάση. Τα φωτοηλεκτρόνια εκπέμπονταν ταυτόχρονα από τα μόρια του νερού στην υγρή και αέρια φάση και το πείραμα έδειξε μια χρονική καθυστέρηση 50 έως 70 attoseconds μεταξύ των φωτοηλεκτρονίων από υγρό νερό και εκείνων από αέριο νερό. Αυτό το πείραμα έδειξε ποσοτικά ότι τα ηλεκτρόνια από το υγρό νερό φτάνουν στον ανιχνευτή φωτοηλεκτρονίων αργότερα από τα ηλεκτρόνια από το αέριο νερό.

Η βραδύτερη κίνηση των ηλεκτρονίων του υγρού νερού μπορεί να φαίνεται διαισθητικά λογική, καθώς αυτά τα ηλεκτρόνια πρέπει να ταξιδέψουν μέσα από ένα πιο περίπλοκο τοπίο δυναμικού, σε σύγκριση με τα μόρια του νερού σε αέρια φάση. Το πείραμα στο Σχήμα 5 έδειξε αυτό το φαινόμενο λεπτομερώς: οι μετρήσεις θα μπορούσαν να απομονώσουν την επίδραση της διαλυτοποίησης – μόρια νερού που αλληλεπιδρούν με κοντινά μόρια νερού – ως το κυρίαρχο για τη χρονική καθυστέρηση στην δυναμική αττοδευτερολέπτων του φωτοϊονισμού.

Σχήμα 5. Μια ακολουθία παλμών αττοδευτερολέπτων (μπλε) που αποτελείται από μερικές τάξεις υψηλής αρμονικής υπέρθεσης με έναν παλμό λέιζερ femtosecond στο εγγύς υπέρυθρο (κόκκινο), που αλληλεπιδρά με μικροπίδακα νερού. Τα φωτοηλεκτρόνια εκπέμπονται ταυτόχρονα από την υγρή και την περιβάλλουσα αέρια φάση και ανιχνεύονται στον ανιχνευτή φωτοηλεκτρονίων.

Για τα στερεά, η φασματοσκοπία attosecond αναμένεται να αποκαλύψει μια πληθώρα πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων ηλεκτρονίων, π.χ. διεργασίες που περιλαμβάνουν μεταφορά φορτίου και φαινόμενα θωράκισης φορτίου, δημιουργία ειδώλου φορτίου και σκέδαση ηλεκτρονίων-ηλεκτρονίων, καθώς και την συλλογική ηλεκτρονιακή κίνηση. Ένα τέτοιο πείραμα με βολφράμιο εξέτασε την πολυπλοκότητα των αλληλεπιδράσεων των ηλεκτρονίων στα στερεά.

Σε μια μελέτη εκπομπής φωτοηλεκτρονίων με χρονική διακριτική ικανότητα attoseconds, οι ερευνητές θα μπορούσαν να επιδείξουν μια καθυστέρηση περίπου 100 αττοδευτερολέπτων μεταξύ της εκπομπής φωτοηλεκτρονίων που προέρχονται από καταστάσεις που μοιάζουν με ατομικά τροχιακά 4f, σε σύγκριση με εκείνα που προέρχονται από καταστάσεις ζώνης αγωγιμότητας. Χρησιμοποίησαν το αποκαλούμενο πείραμα αντλίας-ανιχνευτή, όπου ένας αρχικός παλμός φωτός πυροδοτεί την δυναμική του μετάλλου βολφραμίου, ακολουθούμενος από έναν δεύτερο παλμό φωτός που δείχνει την μεταβατική κατάσταση διαμέσου μιας διαδικασίας φωτοεκπομπής.

Αυτό το πείραμα χρησιμοποίησε το γεγονός ότι η ενέργεια δέσμευσης των καταστάσεων που μοιάζουν με ατομικά τροχιακά 4f είναι σαφώς διαφορετική από αυτή των καταστάσεων της ζώνης σθένους. Αυτή η διαφορά επέτρεψε στους ερευνητές να ακολουθήσουν τις διαφορετικές χρονικές κλίμακες αυτών των μοναδικών τύπων καταστάσεων ηλεκτρονίων. Βρήκαν ότι κατά μέσο όρο, τα φωτοηλεκτρόνια που προέρχονται από τις εντοπισμένες καταστάσεις 4f αναδύονται από την επιφάνεια του βολφραμίου με καθυστέρυση περίπου 100 αττοδευτερολέπτων σε σχέση με εκείνα που προέρχονται από την ζώνη αγωγιμότητας. Το παρατηρούμενο φαινόμενο καθυστέρησης στο μέταλλο βολφραμίου και σε παρόμοια υλικά εμφανίζεται κατά τη μεταφορά των διεγερμένων φωτοηλεκτρονίων στην επιφάνεια, κάτι που δείχνει την δυνατότητα άμεσης παρατήρησης των χαρακτηριστικών της διάδοσης του κυματοπακέτου ηλεκτρονίων με ακρίβεια αττοδευτερολέπτων.

Η ικανότητα ανακίνησης των ηλεκτρονίων σε πειράματα αντλίας-ανιχνευτή και η μελέτη της απόκρισης σε χρονικές κλίμακες αττοδευτερολέπτων προσφέρει τεράστιες ευκαιρίες για την εξερεύνηση εντελώς νέων φυσικών φαινομένων. Μέχρι στιγμής, στην επιστήμη των υλικών, έχουν καρποφορήσει μόνο οι πρωτοποριακές αρχικές έρευνες της φυσικής του αττοδευτερολέπτου, αλλά χάρη στην πρωτοποριακή έρευνα των L’Huillier, Krausz και Agostini, μπορεί κανείς να αναμένει πολλά εκπληκτικά και μη διαισθητικά αποτελέσματα που θα εμφανιστούν στο μέλλον. Για να φανταστούμε τις εκπλήξεις που μπορεί να επιφυλάσσει η δυναμική των ηλεκτρονίων στα αττοδευτρόλεπτα, είναι διδακτικό να βασιστούμε σε μερικές από τις απροσδόκητες δυναμικές αποκρίσεις που γνωρίζουμε ότι τα καθημερινά αντικείμενα έχουν, για παράδειγμα, το εκκρεμές Kapitza, με την φαινομενικά «μαγική» του ικανότητα να αντιτίθεται στη βαρύτητα:

Τελικές παρατηρήσεις
Όλα τα παραπάνω δεν φτάνουν για να περιγράψουν την φυσική του αττοδευτερολέπτου σε όλο της το εύρος. Αυτό που αρχικά ξεκίνησε ως ένα στενά εστιασμένο πεδίο της ατομικής φυσικής στις διεργαδίες πολλαπλών φωτονίων, τώρα έχει διεισδύσει στα σύνορα της μοριακής φυσικής, της φυσικοχημείας, της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης και άλλα εφαρμοσμένα πεδία όπως η τεχνολογία παραγωγής φωτός. Και τα πρώτα βήματα προς τις βιολογικές εφαρμογές έγιναν από την ερευνητική ομάδα Krausz στο Garching.

Συνδυάζοντας ευρυζωνική οπτική, εξαιρετικά γρήγορες πηγές λέιζερ και τεχνολογίες ακριβείας ανάλυσης πεδίου femtosecond-attosecond, η ερευνητική ομάδα Krausz έχει αναπτύξει μοριακά αποτυπώματα ηλεκτρικού πεδίου και μπορεί να ανιχνεύσει αλλαγές στη μοριακή σύνθεση των βιορευστών. Αυτό υπόσχεται ως μια νέα in vitro διαγνωστική αναλυτική τεχνική για την ανίχνευση χαρακτηριστικών μοριακών ιχνών ασθενειών σε δείγματα αίματος. Το μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι πολλά μόρια μπορούν να παρακολουθούνται ταυτόχρονα, και ότι η ακτινοβολία είναι μη ιονίζουσα και επομένως δεν είναι επιβλαβής. Σημαντική συνεισφορά στην επιστήμη του αττοδευτερολέπτου έχουν συνεισφέρει επίσης άλλες ερευνητικές ομάδες, όπως της Margaret Murnane και του Henry Kapteyn στο Πανεπιστήμιο του Colorado, και της Ursula Keller στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης.

Ένα πρόσφατο και περιεκτικό άρθρο ανασκόπησης από τους Rocio Borrego-Varillas, Matteo Lucchini και Mauro Nisoli με τίτλο «Attosecond spectroscopy for the investigation of ultrafast dynamics in atomic, molecular and solid-state physics» περιγράφει την έρευνα των Pierre Agostini , Ferenc Krausz και Anne L’Huillier  και τις συνέπειές της: αξιοποιώντας ισχυρά λέιζερ για να προσεγγίσουν χρονικές κλίμακες αττοδευτερολέπτων, κατάφεραν να «δουν» τα ηλεκτρόνια να κινούνται στα άτομα, στα μόρια και στην συμπυκνωμένη φάση της ύλης. Η έρευνα των βραβευθέντων με το Νόμπελ Φυσικής 2023 ανοίγει παράθυρα για την εξερεύνηση φαινομένων που σύμφωνα με τους πρωτοπόρους της κβαντικής φυσικής όπως ο Heisenberg, ήταν αδύνατο να παρατηρηθούν!

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες με τις απαραίτητες βιβλιογραφικές αναφορές στο: Scientifc Background to the Nobel Prize in Physics 2023 – “FOR EXPERIMENTAL METHODS ΤHAT GENERATE ATTOSECOND PULSES OF LIGHT FOR THE STUDY OF ELECTRON DYNAMICS IN MATTER”

 19/10/2023