Attosekund-ur afslører elektroners kvantemekaniske opførsel
Et dansk-schweizisk forskningssamarbejde har ved hjælp af en femtosekundpuls målt, hvordan elektroner momentant bryder gennem energibarrierer.
En elektron holdes fast i en potentialbrønd i atom (z=x=0), som påvirket af et elektrisk felt i z-retningen. En endimensionel udgave (for x=0) ses i den lille tegning. Den blå viser, hvordan en elektron via tunneleffekten kan gennembryde energibarrieren. (Grafik: ETH, Zürich)
Læs også
-
Kvantemekanisk gennembrud: Fotonens vej gennem to spalter kortlagt
-
Overraskende sammenhæng mellem den frie vilje og kvantemekanikken
Læs mere om
Dokumentation
Fysikerne har haft mange formodninger om den tid, det tager for en elektron at gennembryde en energibarriere via den kvantemekaniske tunneleffekt.
Et samarbejde mellem forskere ved ETH – det tekniske universitet i Zürich – og Aarhus Universitet viser, at selv i komplekse atomer som argon er tunneltiden nul. Samtidig har forskerne løst den vanskelige opgave at bestemme præcist, hvor elektronen kommer ud på den anden side af barrieren.
Det ene øjeblik befinder elektronen sig trygt i atomets sikre favn – holdt tilbage af en energibarriere, som i henhold til klassiske fysiske regler er fuldstændig ubrydelig. Det næste øjeblik er elektronen i en afstand af flere atomradier på vej væk fra atomet som en fri og ubunden elektron – hjulpet på vej af kvantemekanikkens regler i form af tunneleffekten.
Læs også: Kvantemekanisk trick gør mobilskærme ekstra trykfølsomme
Rejsen gennem det 'forbudte område' er foregået momentant.
Det er i modstrid med en ældre forudsigelse for tunneltiden baseret på den såkaldte Landuaer-Büttiker-teori, som groft sagt angiver, at tunneltiden er længden af tunnelbarrieren divideret med hastigheden for elektronen.
Kun få målinger af tunneltiden
Det har både krævet en avanceret måleopstilling og en dedikeret teori for den dansk-schweiziske forskningsgruppe at komme frem til, at tunneltiden er nul, og bestemme elektronens exit-punkt.
Når atomer udsættes for et laserfelt, kan der dannes en asymmetrisk energibarriere, som elektroner i atomet kan gennembryde via den kvantemekaniske tunneleffekt og derved undslippe fra atomet.
Barrieren vil i typiske forsøgsopstillinger have en længde, der svarer til ca. fem atomare enheder – eller omkring 0,25 nanometer.
»Der er ikke mange eksperimenter om tunneltid. Men Ursula Kellers forskningsgruppe ved ETH viste for tre år siden, at tunneltiden for elektroner i et heliumatom var nul – inden for en måleusikkerhed på ca. ti attosekunder,« siger Lars Bojer Madsen fra Aarhus Universitet.
Et attosekund er 10^-18 sekunder eller en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund.
Læs også: Kvantemekanisk gennembrud: Fotonens vej gennem to spalter kortlagt
Nu har de schweiziske forskere gentaget deres eksperiment med mere komplekse atomer i form af argonatomer. De har hentet hjælp fra Lars Bojer Madsen og Darko Dimitrovski fra Aarhus Universitet til at lave en korrekt fortolkning af deres målinger.
Attosekundviser
I det nye eksperiment benytter ETH-forskerne en laserpuls med en varighed på 7 femtosekunder. Den består af tre optiske svingninger fra en laser med en bølgelængde på 740 nanometer.
Laserpulsen sendes gennem en kvartbølgeplade, der giver anledning til en cirkulær polarisation af det elektromagnetiske felt knyttet til laserpulsen.
I deres artikel i Nature Physics beskriver forskerne mere indgående, hvordan den roterende elektriske feltvektor på den måde giver en tidsreference svarende til viseren på et ur, og hvordan der derved kunne opnås en målenøjagtighed på 10 attosekunder.
Lars Bojer Madsen forklarer, at elektronernes tunneltid ville være omkring 100 attosekunder, hvis den kunne forklares med Landauer-Büttiker-teorien.
»Rent faktisk er det en tunneltid på nul attosekunder, som beskriver eksperimenterne bedst,« siger han.
Kompliceret analyse
Analysen af, hvordan elektroner undslipper argonatomet gennem energibarrieren, er meget mere kompliceret end for samme proces i heliumatomer. Særligt vanskeligt er det at bestemme exit-punktet.
Det er bl.a. nødvendigt at tage højde for, at der sker en ændring af de spektrale linjer i atomet på grund af det elektriske felt – et forhold kendt som Stark-effekten.
Et andet forhold, som har stor betydning i et argonatom med mange elektroner, er en multielektroneffekt, som bevirker, at tunnelelektronerne også påvirkes af de elektroner, som bliver tilbage i atomet.
Denne effekt er uden betydning i heliumatomer, som ETH-forskerne studerede i 2008, da der her kun er to elektroner i hvert atom.
Det er forskergruppen i Aarhus, der har udviklet en teori, der medtager alle disse komplicerede forhold.
Multielektroneffekten er i øvrigt så interessant, at forskere håber, de kan studere den nærmere i fremtiden. Men det kræver, at de forbedrer deres attosekund-ur yderligere.
