Иногда в природе происходят молекулярные или твердотельные процессы, занимающие крошечные временные интервалы, такие как фемтосекунды (одна квадриллионная доля секунды) или аттосекунды (одна квинтиллионная доля секунды). Ядерные реакции происходят еще быстрее. Ученые из Университета Констанца, Максим Царев, Йоханнес Тёрнер и Питер Баум, сейчас используют новую экспериментальную систему для получения сигналов продолжительностью всего в аттосекунды, что открывает новые горизонты для исследований сверхбыстрых явлений.
Даже световые волны не могут обеспечить такое высокое временное разрешение, так как один период световой волны слишком долог. Электроны предоставляют решение этой проблемы, так как их движение может обеспечить значительно более высокую временную детализацию. В эксперименте ученые из Констанца используют пары фемтосекундных световых импульсов лазера для создания очень коротких электронных импульсов в вакууме. Эти результаты были опубликованы в журнале Nature Physics.
Подобно волнам на поверхности воды, световые волны могут наложиться друг на друга, создавая гребни и впадины в стоячих или движущихся волнах. Физики выбрали углы падения и частоты так, чтобы электроны, двигаясь со скоростью, равной половине скорости света, пересекались с гребнями и впадинами оптических волн с такой же скоростью.
Затем пондеромоторная сила начинает двигать электроны в направлении следующей волны. Это создает серию чрезвычайно коротких электронных импульсов, особенно сильных в середине этой серии, где электрические поля наиболее мощные. На самом деле, длительность электронных импульсов составляет лишь около пяти аттосекунд. Ученые измеряют распределение скоростей электронов после этого взаимодействия.
С точки зрения квантовой механики это представляет собой временную суперпозицию (интерференцию) электронов, переживших одинаковое ускорение в разное время. Этот эффект имеет значение в квантово-механических исследованиях, таких как взаимодействие между электронами и светом.
Это также интересно тем, что плоские электромагнитные волны, например, световой луч, обычно не могут изменять скорость электронов в вакууме, так как общий импульс и энергия массы электрона и фотона, не имеющего массы покоя, не могут сохраняться. Однако, наличие двух фотонов в волне, двигающейся медленнее скорости света, решает эту проблему (эффект Капицы-Дирака).
Питер Баум, профессор физики и руководитель группы света и материи в Университете Констанца, отмечает, что эти результаты являются фундаментальными исследованиями, но они предоставляют большие возможности для будущих исследований.
Если воздействовать на материал двумя нашими короткими импульсами через разные интервалы времени, первый импульс может изменить его состояние, и второй импульс можно использовать для наблюдения за этим изменением, подобно моменту съемки на фотоаппарате.
Он также отмечает, что в будущем можно будет использовать лазеры с любой мощностью для еще более интенсивного сжатия.
Наш метод двойного фотонного сжатия открывает новые горизонты в изучении времени и, возможно, даже в наблюдении за ядерными реакциями.