Vědci v Oldenburgu vytvořili laserová pole posouvající elektrony do nových kvantových stavů

Fyzikům z Univerzity v Oldenburgu se podařilo vytvořit trojrozměrná světelná pole, která umožňují posunout elektrony do kvantových stavů dosud mimo dosah experimentů. Vědecký tým k tomu využil superpozici dvou ultrakrátkých laserových pulsů, které se sbíhají z různých směrů a vzájemně se překrývají v prostoru a čase.

Princip spočívá v tom, že samotné laserové pulsy jsou extrémně krátké – trvají jen zlomek miliardtiny sekundy – a díky tomu dokážou interagovat s elektrony způsobem, který by při použití běžného kontinuálního světla nebyl možný. Když se dva takové pulsy přicházející z odlišných směrů protnou, vznikne v místě jejich překryvu složitá prostorová struktura elektromagnetického pole. Tato struktura není jednoduchou vlnou šířící se jedním směrem, ale skutečně trojrozměrným světelným polem, jehož vlastnosti se v prostoru mění způsobem, který lze cíleně navrhnout volbou úhlu, polarizace a časového zpoždění obou pulsů.

Právě tato možnost „tvarovat“ světlo v prostoru otevírá cestu k ovlivňování elektronů novým způsobem. Elektrony totiž reagují na elektrické a magnetické složky světelného pole, a pokud je toto pole uspořádáno do požadované trojrozměrné podoby, lze elektrony nasměrovat do konkrétních kvantových stavů. Podle týmu z Oldenburgu jde o stavy, které byly dosud experimentálně nedostupné – buď proto, že vyžadovaly příliš vysokou energii dodanou příliš rychle, nebo proto, že klasické, prostorově jednodušší laserové pulsy nedokázaly vytvořit potřebnou kombinaci směrů a fází pole.

Výzkum spadá do oblasti takzvané ultrarychlé fyziky, která se zabývá ději probíhajícími v časových škálách femtosekund až attosekund – tedy v řádu kvadrilióntin sekundy. V tomto oboru se vědci dlouhodobě snaží najít způsoby, jak přímo sledovat a ovlivňovat pohyb elektronů v atomech, molekulách či pevných látkách v reálném čase. Dosavadní experimenty většinou pracovaly s jediným laserovým pulsem dopadajícím z jednoho směru, což omezovalo škálu dosažitelných kvantových stavů. Kombinace dvou vzájemně sladěných pulsů přicházejících z různých úhlů tento limit podle oldenburského týmu překonává.

Výhoda spočívá v tom, že interferencí dvou pulsů vzniká pole s mnohem bohatší strukturou, než jakou by nabídl jeden puls samotný. Fyzikové tak získávají nový nástroj, jak precizně kontrolovat, jakým způsobem světlo předává energii a hybnost elektronům. To má význam nejen pro základní výzkum kvantové mechaniky, ale potenciálně i pro vývoj technologií založených na manipulaci s elektrony na extrémně krátkých časových škálách, mimo jiné v oblasti ultrarychlé elektroniky nebo spektroskopie.

Tým z Univerzity v Oldenburgu svůj přístup prezentuje jako rozšíření dosavadních metod ultrarychlé laserové fyziky, které otevírá dveře k experimentům dříve považovaným za technicky nedosažitelné. Díky možnosti navrhnout prostorový tvar světelného pole mohou vědci cíleně připravovat podmínky, za nichž elektrony přecházejí do specifických energetických a momentových stavů, a sledovat tak jevy, které se standardními jednosměrnými laserovými pulsy pozorovat nedaly.

Přestože zpráva o výsledcích neuvádí konkrétní datum publikace ani detailní popis experimentálního zařízení, z popisu metody vyplývá, že jde o pokročilý příklad takzvané koherentní kontroly světla – techniky, při níž se fázové a prostorové vlastnosti laserových pulsů přesně sladí tak, aby výsledná interference vytvořila požadovaný efekt. V oldenburském experimentu tato kontrola umožňuje nejen časové, ale i prostorové tvarování pole, což představuje posun oproti dřívějším přístupům zaměřeným převážně na úpravu časového průběhu jednoho pulsu.

Výsledky týmu z Oldenburgu tak přispívají k rozšiřujícímu se souboru nástrojů, které mají fyzikům umožnit stále přesnější manipulaci s elektrony na kvantové úrovni. Otevírá se tím prostor pro další experimenty, které by mohly prohloubit porozumění základním procesům interakce světla s hmotou a případně najít uplatnění i v aplikovaném výzkumu zabývajícím se rychlými elektronickými a optickými jevy.