Un método para resolver la interferencia cuántica entre vías de fotoionización con resolución de attosegundos

El campo de la física de attosegundos se fundó con la misión de explorar la materia ligera a resoluciones temporales extraordinarias. Los recientes avances en este campo han permitido a los físicos arrojar nueva luz sobre la dinámica cuántica de los portadores de carga en átomos y moléculas.

Una técnica que ha demostrado ser particularmente valiosa para la investigación en este campo es RABBITT (es decir, Attosegundo Beating Recovery by Interference of Two Photon Transitions). Esta prometedora herramienta se utilizó inicialmente para caracterizar pulsos láser ultracortos, como parte de un esfuerzo de investigación que ganó el Premio Nobel de este año, pero desde entonces se ha utilizado para otros experimentos de física ultracorta.

Investigadores de la Universidad Normal del Este de China y la Universidad Queen de Belfast han desarrollado recientemente la técnica RABBITT para medir con precisión las contribuciones individuales a la fotoionización. Su artículo fue publicado en carta de revisión físicaPresenta una nueva y emocionante forma de realizar investigaciones en física de attosegundos.

«La técnica RABBITT esencialmente proporciona un cronómetro ultrarrápido para procesos electrónicos, de modo que podemos medir (por ejemplo) el retraso entre la ionización de diferentes electrones en un átomo», dijo a Phys. Andrew C. Brown, coautor del artículo. .org

«Sin embargo, una de las dificultades de estos experimentos es que cuando hay múltiples procesos que interactúan, el panorama a menudo se vuelve más complejo y ya no podemos hacer afirmaciones concretas sobre el momento de los distintos mecanismos. Muchas variables y suficientes ecuaciones para resolverlos.

«La verdadera genialidad del experimento de Xiaochun y Jian fue proporcionar más ecuaciones, o más precisamente, mediciones más discretas, lo que nos permitió descubrir diferentes mecanismos».

En sus experimentos, Xiaochun Gong y Jian Wu, los autores que lideraron el proyecto, utilizaron dos pulsos láser, lo cual es una práctica estándar al aplicar la técnica RABBITT. Sin embargo, cambiaron la polarización (es decir, el ángulo de inclinación) de estos pulsos para obtener más control sobre las mediciones que recogieron.

Inicialmente, los investigadores se propusieron resolver el retraso en la fotonización para diferentes ángulos de emisión. En otras palabras, querían determinar que un electrón se comporta de manera diferente cuando se emite en diferentes direcciones con respecto al campo láser. Sin embargo, una vez que comenzaron a examinar los datos recopilados en sus experimentos, se dieron cuenta de que el panorama era más complejo de lo que esperaban.

«Nuestro trabajo actual también es un paso adelante con respecto a nuestro trabajo anterior con medidores de ondas parciales nucleares», afirmó Gong. «Nuestro sueño es llevar la medición de la fotoionización de attosegundos al nivel de onda parcial, que es la verdadera definición del cambio de fase de dispersión».

Los investigadores recogieron sus mediciones en muestras de helio, neón y argón. El helio es muy sencillo de probar porque solo tiene dos electrones y en realidad solo una forma de ionizarlo, mientras que el neón y el argón son sistemas mucho más complejos.

«Más precisamente, cuando se ioniza el helio, sólo queda un estado iónico posible», dijo Brown. Sin embargo, para el neón y el argón las cosas son mucho más complicadas. Por un lado, hay más electrones de los que preocuparse y, por otro, hay muchos más estados iónicos residuales, todos los cuales contribuyen de maneras (previamente) desconocidas. señal medida. La forma en que lo interpretamos fue sobre el clásico experimento de la ‘doble rendija de Young’, donde la luz pasa a través de dos aberturas antes de ser ‘medida’ en una pantalla.

En el experimento clásico de la doble rendija de Young, la luz que pasa a través de dos aberturas crea un patrón de interferencia en la pantalla. Esto se debe a que las ondas que pasan a través de cada apertura llegan al mismo lugar a través de caminos diferentes, lo que resulta en una interferencia constructiva o destructiva llamada «franjas».

«La clave de ese experimento, y la razón por la que se ha convertido en una metáfora tan convincente, especialmente para los teóricos cuánticos, es que no se puede saber por qué rendija ha pasado la luz, porque no la mide». «, dijo Brown. «Todo lo que se puede medir es la interferencia, y ‘qué información de ruta’ es inaccesible».

En experimentos de Brown, Gong y sus colegas, dos aperturas en el experimento clásico de doble rendija de Young tenían dos estados de iones residentes diferentes. Por el contrario, el patrón de interferencia que midieron fue la distribución angular de fotoelectrones generada por dos pulsos láser sesgados.

«Al realizar mediciones de dos ángulos de inclinación diferentes y luego calcular todos los caminos diferentes que los electrones pueden tomar para alcanzar un estado final, podemos resolver la ecuación para obtener la amplitud de cada camino diferente. Da tanto el ancho como la fase», dijo Brown. «En otras palabras, hemos descubierto por qué rendija pasa el electrón y cómo».

La mayoría de los estudios en física experimental de attosegundos utilizan cálculos teóricos ligeros para explicar sus resultados a posteriori. Sin embargo, este proyecto requiere modelos más detallados para tener en cuenta la compleja dinámica en juego y, en esencia, proporcionar predicciones para que los experimentos las validen.

«El método utilizado para recrear las diferentes vías en el experimento tiene una sólida base teórica, pero la dinámica es tan compleja que sería difícil argumentar firmemente que los números que derivamos son confiables», dijo Brown. «Realizamos simulaciones con el código R-matrix dependiente del tiempo (RMT), que puede manejar todas estas dinámicas desde los primeros principios, y de allí pudimos extraer directamente las amplitudes y fases».

Cuando compararon sus resultados experimentales con los de estas simulaciones, descubrieron que estaban estrechamente relacionados. Esto sugiere que su experiencia efectivamente estuvo a la altura de lo que teóricamente afirmaban.

«En esencia, intentamos utilizar el campo láser para conectar un medio de fase adicional a la onda D», dijo Gong. «Podemos identificar la onda s y la onda d, pero podemos distorsionar sus propiedades de fase y observar sus propiedades de interferencia finales. Por ejemplo, podemos abrir la caja para saber si ‘Quantum Cat’ está vivo o no, pero Puedes agregar algunos reflejos y comprobar si hay una respuesta en el cuadro, donde las respuestas deben ser de la reacción del gato.

Los investigadores ven el método experimental propuesto como un «ondametro parcial», o en otras palabras, un instrumento que puede influir en las contribuciones individuales a la fotonización. En particular, el método propuesto se basa en dos técnicas experimentales diferentes, a saber, cambiar la polarización del láser y medir la coherencia de fotoelectrones e iones, que no se habían utilizado juntas antes.

«Nuestro trabajo reúne estas tecnologías para hacer posible esta nueva medición», dijo Brown. «Esto no quiere decir que las mediciones fueran sencillas, pero no sería sorprendente ver la misma combinación de técnicas utilizadas en los años siguientes para realizar mediciones más interesantes de la dinámica ultrarrápida».

Un aspecto más singular de este último estudio es la simulación utilizada para validar los resultados experimentales del equipo. Durante mucho tiempo, los científicos han intentado interpretar datos experimentales utilizando modelos teóricos, pero Brown, Gong y sus colegas decidieron utilizar una simulación.

«Los resultados que proporciona RMT son menos intuitivos porque el modelo está lejos de ser simple», explicó Brown. átomos o parámetros láser específicos, podemos comenzar a realizar experimentos en este campo, que hasta ahora no han sido posibles para la investigación científica durante 30 o más años».

El trabajo reciente de este equipo de investigadores ofrece nuevos conocimientos sobre la dinámica fundamental de la fotosíntesis. Si bien Brown, Gong y sus colegas se centran principalmente en la física de este fenómeno, sus esfuerzos futuros podrían ayudar a identificar nuevas estrategias para controlar los electrones utilizando la luz. Podría contribuir al desarrollo de circuitos electrónicos ultrarrápidos y tecnologías fotovoltaicas (paneles solares), o quizás incluso ayudar a diseñar dispositivos médicos que prevengan el daño por radiación a las células.

«Estamos trabajando en la construcción de una teoría más completa de los procesos de orden superior en la fotoemisión», dijo Brown. «En otras palabras, estamos tratando de describir teóricamente lo que sucede cuando se absorben múltiples (más de dos) fotones en estos experimentos tipo RABBITT. Aunque tenemos este código RMT que primero se puede motivar desde los principios, si se quiere explicar «Para obtener resultados se necesita algún modelo relativamente simple que explique los diferentes caminos».

Mientras trabajan en un modelo teórico que pueda explicar los datos recopilados en sus experimentos, los investigadores planean continuar con los experimentos y ejecutar simulaciones en sistemas más intensos. Esperan que esto les permita investigar más a fondo la transición de sistemas de pocos fotones a sistemas de múltiples fotones y, finalmente, a la física de campo fuerte.

«El desarrollo de la física de campos fuertes está lejos de la teoría tradicional de la dispersión y existe una gran brecha entre ellas», añadió Gong. «Construir un puente intermedio es esencial para proporcionar una comprensión fluida de un fotón a varios fotones».

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