0.0000000000000000005 秒 – 物理学者は、これまで人類が生成した中で最も短い信号の 1 つを生成しました

コンスタンツ大学の科学者たちは、フェムト秒のフラッシュ光を使用して、持続時間約 5 アト秒の電子パルスを生成する方法を開発しました。 この成果により、光波よりも高い時間分解能が得られ、核反応などの超高速現象の観測への道が開かれます。

コンスタンツ大学の物理学者は、人類がこれまでに生成した中で最も短い信号の 1 つを生成しました。

自然界の分子または固体プロセスは、フェムト秒 (1000 分の 1 秒) やアト秒 (1000 分の 1 秒) などの短い時間枠で発生することがあります。 核反応が速くなります。 現在、コンスタンツ大学の科学者であるマキシム・ツァレフ、ヨハネス・サーナー、ピーター・バウムは、新しい実験装置を使用してアト秒、つまりナノ秒の10億分の1の持続時間を持つ信号を実現し、超高速現象の分野に新たな地平を切り開きます。

単一の振動を達成するには非常に長い時間がかかるため、光波でさえこのような時間分解能を達成することはできません。 電子はより高い時間分解能を可能にするため、この問題を解決します。 コンスタンツの研究者らは実験装置で、レーザーからのフェムト秒フラッシュ光のペアを使用して、自由空間のビーム内に非常に短い電子パルスを生成しました。 結果は雑誌に掲載されます 自然物理学。

科学者たちはこれにどう取り組んだのでしょうか?

水の波と同様に、光の波も重なり合って、定常波または進行波の山と谷を形成することがあります。 物理学者は、真空中を光の半分の速度で飛行する伝播電子が、光波の山と谷でまったく同じ速度で干渉するように、入射角と周波数を選択しました。

深い駆動力として知られるものは、電子を次の波の底に向かって押します。 したがって、短い相互作用の後、特に電場が非常に強いパルス列の途中で、非常に短い時間の一連の電子パルスが生成されます。

短時間であれば、電子パルスの継続時間はわずか約 5 アト秒です。 このプロセスを理解するために、研究者らは圧縮後に残る電子の速度分布を測定した。 「出力パルスの速度が非常に均一である代わりに、圧縮中の一部の電子の強い減速または加速に起因する非常に広い分布が見られます」と物理学者のヨハネス・サーナーは説明します。 「しかし、それだけではありません。その分布は滑らかではありません。その代わりに、一度に電子と相互作用できる光の粒子のペアは整数だけであるため、分布は何千もの速度ステップで構成されています。」

研究の重要性

科学者は、量子力学は、異なる時間に同じ加速を経験した後の電子と電子自身の時間的な重ね合わせ（干渉）であると述べています。 この効果は、電子と光の相互作用などの量子力学の実験に関連します。

また注目すべき点: 光線などの平面電磁波は、通常、真空中の電子の速度に永続的な変化を引き起こすことはできません。なぜなら、大質量電子と光の粒子の総エネルギーと総運動量は質量がゼロであるためです (光子）は保存できません。 しかし、光速よりも遅い速度で伝わる波の中に 2 つの光子が同時に存在することで、この問題は解決されます (カピッツァ・ディラック効果)。

コンスタンツ大学の物理学教授で光と物質グループの責任者であるピーター・バウム氏にとって、これらの発見はまだ明らかに基礎研究であるが、将来の研究への大きな可能性を強調している。時間間隔で、最初のパルスがトリガーされます。2 番目のパルスを変更するには、カメラのフラッシュと同様に制御に使用できます。

彼の観点から見ると、大きな利点は、経験原理に関係する物質がなく、すべてが自由空間で起こることです。 原理的には、将来的には、あらゆる強度のレーザーを使用して、さらに強力な圧力を得ることができるようになります。 「私たちの新しい光子圧力により、私たちは新しい次元の時間に移動でき、核反応を画像化することもできるかもしれません」とボーム氏は言う。

参考文献: 「自由電子物質波の非線形光学量子制御」Maxim Tsarev、Johannes W. Thorner、Peter Baum著、2023 年 6 月 12 日、ここから入手可能。 自然物理学。
土井: 10.1038/s41567-023-02092-6