677
Фізики з Університету Ольденбурга в Німеччині продемонстрували спосіб керувати електронами за допомогою тривимірних світлових полів, створених перетином двох ультракоротких лазерних імпульсів. За допомогою цього підходу їм вдалося досягти електронних квантових станів, які раніше існували лише в теоретичних описах. Про це йдеться в матеріалі SciTechDaily.
Як зробити світло тривимірним
Команда сформувала два лазерні імпульси тривалістю всього кілька фемтосекунд — це мільйонні частки мільярдної частки секунди. Промені спрямували з різних напрямків у одну й ту саму точку, причому вони мали різні кольори (довжини хвиль).
У місці перетину електричні поля цих імпульсів накладаються і утворюють тривимірну структуровану конфігурацію, форму якої дослідники можуть змінювати. На відміну від звичайних світлових полів, де коливання поля відбуваються переважно в одній площині, тут поле коливається одразу в трьох просторових напрямках.
«Поля коливаються в усіх трьох просторових напрямках, відкриваючи нові можливості для дослідження та керування специфічними взаємодіями світла і речовини», — пояснює Даріус Кенке (Darius Köhnke), один із двох перших авторів роботи та аспірант дослідницької групи з надшвидкої когерентної динаміки.
Незвідані квантові стани в атомах калію
Щоб перевірити можливості нових полів, фізики використали атоми калію. Тривимірне світлове поле вибірково «проштовхувало» електрони в атомах у збуджені, тобто більш енергетичні стани, а потім вивільняло їх з атомів.
Частина отриманих у результаті квантових станів електронів до цього була відома лише з теоретичних розрахунків і ніколи не спостерігалася експериментально. Новий метод дозволив не тільки створити ці стани, а й просторово їх «побачити».
«За допомогою нашого підходу ми можемо генерувати електронні квантові стани, які раніше існували тільки в теорії, і робити їх просторово видимими», — зазначає керівник групи професор Маттіас Волленгаупт (Matthias Wollenhaupt). За його словами, таким чином «експериментальний оптичний інструментарій» доповнили новим класом тривимірних світлових полів.
Експерименти проводили в лабораторії атосекундної фізики Університету Ольденбурга, де досліджують надшвидкі процеси у взаємодії світла й матерії.
Кінематограф для електронів
Спостерігаючи за зміною електронних станів у послідовні, дуже тісно розташовані моменти часу, дослідники змогли відтворити їхню часову еволюцію. Такий підхід нагадує надшвидку стробоскопічну зйомку: низка «миттєвих знімків» фіксує етапи процесу, що відбувається занадто швидко для звичайних методів, і з них можна скласти своєрідний «фільм» квантової динаміки електрона.
Перспективи для вивчення хіральних молекул
Окремим напрямком застосування тривимірних світлових полів можуть стати хіральні молекули — структури, які існують у вигляді двох дзеркальних форм, що не суміщаються одна з одною, подібно до правої та лівої руки. Така хіральність поширена в біології та медицині: її мають амінокислоти, вуглеводи та багато діючих речовин лікарських препаратів.
Дзеркальні форми однієї й тієї самої молекули можуть поводитися по-різному. Відомий приклад — талідомід, активний компонент препарату Контерган: одна його форма безпечна, інша ж спричиняє тяжкі вроджені вади під час вагітності. Надійно розрізнити такі форми на практиці часто дуже складно.
Теоретичні роботи вказують, що тривимірні світлові поля можуть самі мати хіральні властивості і, отже, по-різному взаємодіяти з правими та лівими «версіями» молекул. «Теоретичні дослідження показують, що тривимірні світлові поля також можуть володіти хіральними властивостями», — підкреслює Волленгаупт.
Робота ілюструє, як точне формування лазерних пучків у просторі дає змогу не тільки заглядати в нові квантові стани, а й відкриває перспективи для більш тонкого аналізу складних молекул, зокрема важливих для фармацевтики.
Тривимірні лазерні поля відкрили нові квантові стани електронів з’явилася спочатку на Цікавості.
