Розроблено технологію вимірювання часу з точністю до зептосекунд

Наскільки швидко рухаються електрони між атомами в межах однієї молекули? Найчастіше їм потрібно цього всього кілька аттосекунд (10^-18 секунди чи мільйонної від мільярдної частки секунди). Відстеження таких швидких процесів є складним завданням, і нещодавно група вчених з Австралії розробила нову інтерференційну технологію, здатну забезпечити вимірювання тимчасових затримок із зептосекундною (10^-21 секунди або трильйонна від мільярдної частки секунди) роздільною здатністю.

Як перевірку ця технологія була використана для вимірювання затримки між двома імпульсами світла, випромінюваними різними ізотопами водню — нормальним воднем (H2) і дейтерієм (D2), на які чинився одночасний вплив одного імпульсу лазерного світла. Величина виміряної затримки становила менш як трьох аттосекунд, а причиною її є різниця динаміки руху легших і важчих ядер атомів ізотопів водню.

Світло випромінювалося атомами водню з допомогою процесу, званого генерацією вищих гармонік (high harmonic generation, HHG). Цей процес відбувається, коли електрон вибивається з атома потужним потоком світла, який до того ж прискорює електрон до вищої енергії (швидкості). Коли електрон знову повертається до «лоно» атома, випромінюється квант жорсткого ультрафіолетового світла (extreme ultraviolet, XUV). Частот, інтенсивність та фаза вторинного випромінювання сильно залежать від параметрів хвильових функцій, тому всі атоми та молекули випускають жорсткий ультрафіолет зі своїми унікальними параметрами.

Якщо спектральна інтенсивність вторинного випромінювання вимірюється досить просто, то вимір його фази є набагато складнішою проблемою, яка не під силу традиційним спектрометрам.

Для розв’язання цієї проблеми вчені використали у своїх інтересах явище під назвою фази Гуї (Gouy phase). Вимірювання зсуву фази Гуї квантів світла від водню і дейтерію еквівалентно в цьому випадку виміру тимчасової затримки, і проведені експерименти показали, що це значення досить стабільне і трохи менше ніж 3 аттосекунд. Роботу австралійських учених було перевірено на «наукову чистоту» групою теоретичних фізиків із Шанхайського університету. Китайські вчені промоделювали всі можливі варіанти генерації HHG-випромінювання двох ізотопів водню, зважаючи на всі можливі комбінації руху ядер та електронів.

Отримані результати моделювання дуже добре збігаються в експериментальних даними, і це говорить про те, що в майбутньому така технологія може бути використана для досліджень та вимірювань надшвидких процесів в атомах та молекулах з безпрецедентною тимчасовою роздільною здатністю.