Цікавості

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 SсіТесhDаіly.

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 (Dаrіus Кöhnkе), 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 (Маtthіаs Wоllеnhаuрt). 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.Стаття Тривимірні лазерні поля відкрили нові квантові стани електронів з'явилася спочатку на Цікавості.