Атточасы или аттосекундные часы — это инструменты, которые могут измерять временные интервалы в аттосекундной шкале, измеряя время, необходимое электронам для туннелирования из атомов. Аттосекундная процедура была впервые представлена исследовательской группой под руководством Урсулы Келлер в 2008 году .
Исследователи из Университета Лейбница в Ганновере, Института Макса Борна и других европейских институтов недавно разработали новые полностью оптические часы. Эти часы, представленные в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, могут использоваться для сбора измерений с временным разрешением в системах с конденсированным веществом, чего до сих пор не удавалось достичь.
«Туннелирование по своей сути является квантово-механическим процессом и, следовательно, находится за пределами нашего «классического воображения», — сказал Phys.org Игорь Бабушкин, один из исследователей, проводивших исследование . «Туннелирование электронов из атомов происходит, когда мы помещаем атомы в очень сильное электрическое поле . Поле можно сделать настолько сильным, что оно «отрывает» электроны от атомов, но электроны должны туннелировать через барьер, прежде чем они покинут атом».
Туннелирование, процесс, посредством которого электроны покидают атомы, происходит очень быстро. Некоторые физики даже предположили, что во время туннелирования электроны движутся быстрее скорости света, и попытались проверить эту гипотезу, используя существующие инструменты измерения аттохронометрии.
«В настоящее время самое быстрое время, которое можно измерить, составляет около одной аттосекунды », — пояснил Бабушкин. «Одна аттосекунда равна 10 -18 секундам, что относится к одной секунде примерно как одна секунда к возрасту Вселенной, а то и больше.»
В прошлом большинство исследователей изучали туннелирование, пытаясь поймать электроны после того, как они покидают атомы. Хотя этот метод привел к некоторым интересным выводам, он часто очень сложен и дорог в реализации, а также не исследует туннелирование напрямую.
В своей статье Бабушкин и его коллеги представили альтернативный метод прямого изучения туннелирования, который также дешевле и точнее, чем предыдущие методы. Этот новый метод специально рассматривает излучение, испускаемое электронами в процессе туннелирования, и его последующую динамику.
«Это возможно, потому что, что бы ни происходило с электроном, он излучает свет», — сказал Бабушкин. «Наш метод очень необычен с точки зрения «нормальной интуиции». Предположим, вы пытаетесь измерить что-то очень короткое, например взмах крыльев бабочки. Для этого вам нужны часы, которые работают быстрее взмахов. Что если вместо этого вы попытаетесь использовать древние солнечные часы, которые могут измерять часы, но не минуты и уж точно не секунды ?Это может показаться нелогичным, но период световых волн, которые мы улавливаем для измерения аттосекундных шкал времени, равен миллиард (10 9 ) раз больше, чем аттосекунда. Но, как мы показали, это действительно возможно!»
По сути, атточасы, разработанные Бабушкиным и его коллегами, улавливают свет, излучаемый электронами, покидающими атомы, и измеряют его поляризацию. Однако для того, чтобы он работал как «часы», сильное электрическое поле, покидающее атом, также известное как «приводное поле», должно было изменяться во времени и быть поляризованным по кругу.
«Если свет поляризован по кругу, электрическое поле вращается со временем, как стрелка часов», — сказал Бабушкин. «Чтобы заставить свет излучать на минимально возможной частоте, нам нужно было взять две частотные составляющие в возбуждающем поле. При этом отклик электрона может быть в терагерцовом диапазоне (один терагерц соответствует 10 12 герц, а один герц соответствует мера частоты, соответствующая одному колебанию в секунду)».
В своих экспериментах исследователи обнаружили, что, измеряя поляризацию терагерцового излучения, испускаемого электроном, они могут получить доступ к его динамике в аттосекундном масштабе. Это был неожиданный результат, так как шкалы времени в терагерцах и аттосекундах различаются на девять порядков.
«Поскольку измерение поляризации света намного точнее, чем измерение электронов, наши оптические атточасы могут быть намного точнее, чем обычные атточасы», — сказал Бабушкин. «Хотя в настоящей статье мы представили экспериментальную презентацию атточасов, которые извлекают в основном ту же информацию, что и традиционные, в будущем мы сможем выйти даже за пределы одной аттосекунды и измерять время уже в зептосекундном диапазоне, что было так далеко не существующее в физике».
Исследователи уже успешно использовали свой прототип атточасов для измерения чего-то, что никогда не было обнаружено с помощью традиционных атточасов, а именно небольшой асимметрии в процессе ионизации. Они считают, что в будущем его также можно будет использовать для сбора измерений с временным разрешением в системах, где невозможно обнаружить электроны, таких как твердые тела.
В настоящее время из-за высокой стоимости изготовления атточасы могут производиться только в относительно небольшом количестве лабораторий по всему миру. Поскольку система, созданная Бабушкиным и его коллегами, была построена с использованием гораздо более дешевых компонентов, чем те, которые лежат в основе других существующих реализаций атточасов, она могла бы в конечном итоге позволить собирать измерения аттохронометров в большем количестве институтов по всему миру.
«Наши атточасы могут иметь множество различных применений», — добавил Бабушкин. «Мы особенно заинтересованы в том, чтобы попытаться применить его в твердых телах. Это одно из направлений, где традиционная процедура атточасов вообще не работает. В настоящее время процессы, возбуждаемые сильными оптическими полями в твердых телах, находятся на краю аттосекундной науки и мы верим, что наш новый инструмент поможет собрать много интересной информации».
