Naukowcy kontrolowali hybrydowe stany kwantowe w helu za pomocą intensywnych laserów ultrafioletowych, otwierając nowe ścieżki w badaniach kwantowych.
Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez dr Lukasa Brudera, młodszego kierownika grupy badawczej w Instytucie Fizyki Uniwersytetu we Fryburgu, z powodzeniem stworzył i kontrolował hybrydowe stany kwantowe elektron-foton w atomach helu.
Zespół osiągnął ten cel poprzez wygenerowanie specjalnie zaprojektowanych, bardzo intensywnych impulsów światła ekstremalnego ultrafioletu za pomocą lasera na swobodnych elektronach FERMI w Trieście we Włoszech. Stosując innowacyjną technikę kształtowania impulsów laserowych, udało im się precyzyjnie kontrolować te hybrydowe stany kwantowe. Przełomowe odkrycia opublikowano w czasopiśmie Natura.
Silne pola świetlne mogą tworzyć nowe stany kwantowe
Dopóki elektrony są związane z atomich energia może mieć tylko określone wartości. Te wartości energii zależą przede wszystkim od samych atomów. Jeśli jednak atom znajduje się w wiązce bardzo intensywnego lasera, poziomy energii ulegają zmianie.
Tworzone są hybrydowe stany elektronowo-fotonowe, zwane „stanami ubranymi”. Występują one przy intensywności lasera w zakresie od dziesięciu do stu bilionów watów na centymetr kwadratowy. Aby móc wytwarzać i kontrolować te specjalne stany kwantowe, potrzebne są impulsy laserowe, które osiągają taką intensywność w krótkim czasie, wynoszącym zaledwie kilka bilionowych części sekundy.
Laser na swobodnych elektronach do wytwarzania promieniowania laserowego w zakresie skrajnego ultrafioletu
W swoim eksperymencie naukowcy wykorzystali laser na swobodnych elektronach FERMI, który umożliwia generowanie światła laserowego w zakresie widma skrajnego ultrafioletu o bardzo dużej intensywności. To ekstremalne promieniowanie ultrafioletowe ma długość fali mniejszą niż 100 nanometrów i jest niezbędne do manipulowania stanami elektronów w atomach helu.
Aby kontrolować stany elektron-foton, badacze wykorzystali impulsy laserowe, które w zależności od scenariusza rozpraszały się lub kurczyły. W tym celu dostosowali opóźnienie czasowe różnych składników koloru promieniowania laserowego. Właściwości impulsów laserowych kontrolowano za pomocą „impulsu lasera zarodkowego”, który warunkował emisję lasera na swobodnych elektronach.
„Nasze badania umożliwiły nam po raz pierwszy bezpośrednią kontrolę tych przejściowych stanów kwantowych w atomie helu” – mówi Bruder. „Opracowana przez nas technika otwiera nowe pole badań: obejmuje nowe możliwości zwiększenia wydajności i selektywności eksperymentów z laserami na swobodnych elektronach lub uzyskania nowego wglądu w podstawowe układy kwantowe, które nie są dostępne w świetle widzialnym. W szczególności może teraz być możliwe opracowanie metod badania, a nawet kontrolowania reakcji chemicznych z precyzją atomową”.
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
Badania zostały sfinansowane m.in. przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF), LoKo-FEL (05K16VFB) i STAR (05K19VF3), Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) Starting Grant MULTIPLEX (101078689), Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) RTG 2717, Grant 429805582 (projekt SA 3470/4-1) oraz projekt STI 125/24-1 i elitarny program Fundacji Badenii-Wirtembergii dla postdoktorów.
