اندازه گیری فوتویونیزاسیون با دقت زپتوثانیه

اندازه گیری فوتویونیزاسیون با دقت زپتوثانیه
 
 
فیزیکدانان لیزر برای اولین بار فوتویونیزاسیون را با دقت زپتوثانیه (21-10 ثانیه) اندازه گیری کردند. فوتویونیزاسیون فرآیندی است که در آن فوتون با الکترون های اتم برخورد می کند.

به گفته دانشمندان دانشگاه مونیخ، این بیشترین دقت از تعیین زمان یک رویداد در جهان کوچک[1] است که تاکنون  اندازه گیری شده است و همچنین اولین تعیین دقیق مقیاس زمانی فتویونیزاسیون است. اگر بخواهیم ببینیم هنگامی که فوتون به دو الکترون اتم هلیوم برخورد می کند چه اتفاقی رخ می دهد، باید بسیار سریع عمل کنیم. در حالت خاص، هنگامی که یک فوتون به دو الکترون اتم هلیوم برخورد می کند، کل انرژی یک فوتون می تواند توسط یکی از الکترون ها جذب شود یا می تواند بین آنها تقسیم شود. صرف نظر از انتقال انرژی، یک الکترون، اتم را ترک می کند. این فرآیند گسیل فوتونی یا اثر فوتوالکتریک نامیده می شود و توسط آلبرت انیشتین در آغاز قرن بیستم توضیح داده شد. همانطور که فیزیکدانان در سال های اخیر کشف کرده اند، فاصله زمانی بین برخورد فوتون با الکترون تا زمانی که یکی از الکترون ها اتم را ترک می کند، بین پنج تا پانزده آتوثانیه ( s 18 -10) است.  
در حال حاضر، فیزیکدانان لیزر موسسه ماکس پلانک اپتیک کوانتومی (MPQ[2])، دانشگاه فنی مونیخ (TUM[3])  و دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیانس (LMU[4]) مونیخ، رویدادی را با دقت زپتوثانیه اندازه گیری کرده اند. با استفاده از روش اندازه گیری پیشرفته آنان، فیزیکدانان لیزر می توانند رویدادها را با دقت بالا تا نرخ 850 زپتوثانیه اندازه گیری کنند. محققین پالس نوری فرابنفش با پهنای آتوثانیه به اتم هلیوم تاباندند تا الکترون ها را برانگیخته کنند. در همان زمان پالس دوم مادون قرمز را شلیک کردند که حدود 4 فمتوثانیه پایدار بود.
الکترون به محض ترک کردن اتم که در نتیجه برانگیختگی به وسیله نور فرابنفش بود، با موج مادون قرمز آشکار شد. بسته به میدان الکترومغناطیسی دقیق این پالس در زمان آشکارسازی، الکترون شتاب می گیرد یا کند می شود. با توجه به این تغییر سرعت، فیزیکدانان توانستند گسیل فوتونی را با دقت زپتوثانیه اندازه گیری کنند.
محققین همچنین توانستند به صورت کوانتوم مکانیکی چگونگی تقسیم انرژی فوتون برخوردی بین دو الکترون اتم هلیوم در چند آتوثانیه قبل از خروج یکی از ذرات را اندازه گیری کنند.
رینهارد کینبرگر، استاد فیزیک لیزر و اشعه ایکس در دانشگاه صنعتی مونیخ گفت: "آزمایش های ما، با استفاده از اندازه گیری همبستگی الکترونیکی، توانست یکی از وعده های فیزیک آتوثانیه که همان دقت زمانی یک فرآیند است و با روش های دیگر دست یافتنی نیست را تحقق بخشد".
فیزیکدانان همچنین توانستند دقت زپتوثانیه آزمایش های خود را با پیش بینی های نظری همتایان خود از موسسه فیزیک نظری دانشگاه فنی وین، همگام سازند.
هلیوم با دارا بودن دو الکترون تنها سیستم چند الکترونی است که می تواند به طور کامل از نظر مکانیک کوانتومی محاسبه شود. این نکته سبب می شود که بتوانند تئوری و تجربه را با هم تطبیق بدهند. مارتین شولتز، مدیر پروژه انستیتو کوانتوم اپتیک موسسه ماکس پلانک می گوید: "ما اکنون می توانیم شرح کامل مکانیک موجی مربوط به سیستم های به هم پیوسته الکترون و اتم های هلیوم مادر یونیزه شده را از طریق اندازه گیری هایمان بدست آوریم".
با استفاده از آزمایش های مترولوژی در ابعاد زمانی زپتوثانیه، فیزیکدانان لیزر بر روی یک قطعه مهم دیگر از پازل مکانیک کوانتومی اتم هلیوم مانور می دهند و بنابراین دقت اندازه گیری در جهان کوچک را به ابعاد کاملاً جدیدی می رسانند.
 
 
 

1- Microcosm
2- Max Planck Institute of Quantum Optics
3-Technical University of Munich
4- Ludwig Maximilians University
 
منبع : www.electrooptics.com      1397/7/9 10:52