Naukowcom udało się z powodzeniem manipulować układami kwantowymi za pomocą impulsów ekstremalnego światła ultrafioletowego, uzyskując precyzyjną kontrolę nad strukturami atomowymi i stanami kwantowymi.
Metoda ta, zademonstrowana we włoskim synchrotronie Elettra, może zrewolucjonizować procesy chemiczne i produkcję farmaceutyczną, umożliwiając światłu kierowanie reakcjami chemicznymi.
Przełom w mechanice kwantowej
Naukowcy osiągnęli przełomowy kamień milowy w mechanice kwantowej, manipulując czasową ewolucją układu kwantowego za pomocą impulsów światła ekstremalnego ultrafioletu (XUV). Za tym niezwykłym przełomem stał profesor Lukas Bruder z Uniwersytetu we Freiburgu we współpracy z 14 międzynarodowymi instytucjami badawczymi, w tym Politechniką Mediolańską, Instytutem Fotoniki i Nanotechnologii Narodowej Rady ds. Badań w Mediolanie (CNR-IFN), Instytutem Warsztat Instytutu Materiałów Krajowej Rady ds. Badań Naukowych w Trieście (CNR-IOM), Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej (INFN), Krajowych Laboratoriów Frascati (Rzym), oraz synchrotron Elettra w Trieście.
Zespół wykazał, że materię można kontrolować na poziomie atomowym, wykorzystując szczególne właściwości światła XUV. Ich eksperyment opublikowany w czasopiśmie Naturaumożliwiło precyzyjną manipulację stanami kwantowymi i właściwościami chemicznymi materii w ultraszybkich skalach czasowych. Technikę tę pomyślnie przetestowano na atomach helu, gdzie badacze dostosowali poziomy energii elektronów i zmierzyli wynikający z tego ruch elektronów w niespotykany dotychczas sposób dokładność.
Zaawansowane techniki manipulacji atomami
Międzynarodowy zespół badawczy z powodzeniem osiągnął ambitny cel, jakim było wyrzeźbienie amplitudy, fazy i polaryzacji ultrakrótkich impulsów w XUV w celu kontrolowania zachowania atomów. Ten poziom kontroli umożliwił wzmocnienie wybranych procesów kwantowych przy jednoczesnym tłumieniu innych. Eksperymenty przeprowadzono na laserze na swobodnych elektronach FERMI w Elettra Synchrotron w Trieście, jednym z wiodących włoskich ośrodków badawczych.
„Dzięki temu badaniu rozszerzyliśmy tak zwaną kontrolę spójną na obszary widmowe promieni XUV i rentgenowskich. Spójna kontrola polega na wykorzystaniu światła do manipulowania ewolucją reakcji chemicznych i kierowania ich w stronę pożądanych produktów chemicznych” – wyjaśnia dr Cristian Manzoni z CNR-IFN.
Potencjalne zastosowania w reakcjach chemicznych
„Ten proces, będący nieodłączną konsekwencją fizyki kwantowej, mógłby pozwolić nam na wykorzystanie światła jako odczynnika chemicznego do kontrolowania wydajności reakcji. Umożliwiłoby to wydajną produkcję wysoce wyspecjalizowanych cząsteczek do zastosowań takich jak farmaceutyki” – podsumowuje prof. Giulio Cerullo z Wydziału Fizyki Politechniki w Mediolanie, jeden ze współautorów publikacji.
Odniesienie: „Kontrola kwantowa silnego pola w domenie ekstremalnego ultrafioletu za pomocą kształtowania impulsów”: Fabian Richter, Ulf Saalmann, Enrico Allaria, Matthias Wollenhaupt, Benedetto Ardini, Alexander Brynes, Carlo Callegari, Giulio Cerullo, Miltcho Danailov, Alexander Demidovich, Katrin Dulitz , Raimund Feifel, Michele Di Fraia, Sarang Dev Ganeshamandiram, Luca Giannessi, Nicolai Gölz, Sebastian Hartweg, Bernd von Issendorff, Tim Laarmann, Friedemann Landmesser, Yilin Li, Michele Manfredda, Cristian Manzoni, Moritz Michelbach, Arne Morlok, Marcel Mudrich, Aaron Ngai, Ivaylo Nikolov, Nitish Pal, Fabian Pannek, Giuseppe Penco, Oksana Plekan, Kevin C. Prince, Giuseppe Sansone, Alberto Simoncig, Frank Stienkemeier, Richard James Squibb, Peter Susnjar, Mauro Trovo, Daniel Uhl, Brendan Wouterlood, Marco Zangrando i Lukas Bruder, 11 grudnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08209-y
