پیشرفت جذاب: کنترل حالت‌های کوانتومی در سطح انرژی نوین

تحقق کنترل حالت‌های کوانتومی هیبریدی الکترون-فوتون در اتم‌های هلیوم

یک تیم بین‌المللی از دانشمندان به رهبری دکتر لوکاس برودر، رهبر گروه تحقیقاتی جوان در موسسه فیزیک دانشگاه فرایبورگ، موفق به تولید و کنترل مستقیم حالت‌های کوانتومی هیبریدی الکترون-فوتون در اتم‌های هلیوم شده‌اند. به همین منظور، آن‌ها پالس‌های نوری فوق‌العاده شدید و ویژه‌ای از نور فرابنفش را با استفاده از لیزر الکترون آزاد FERMI در تریسته، ایتالیا تولید کردند.

این محققان با استفاده از یک تکنیک جدید شکل‌دهی پالس لیزر، توانستند کنترل حالت‌های کوانتومی هیبریدی را به دست آورند. نتایج این تحقیق در نشریه Nature منتشر شده است.

ایجاد حالت‌های کوانتومی جدید با میدان‌های نوری قوی

تا زمانی که الکترون‌ها به یک اتم متصل هستند، انرژی آن‌ها تنها می‌تواند مقادیر خاصی باشد که به طور عمده به خود اتم‌ها بستگی دارد. با این حال، اگر یک اتم در معرض پرتو یک لیزر بسیار قوی قرار گیرد، سطوح انرژی آن تغییر می‌کند. در این حالت، حالت‌های هیبریدی الکترون-فوتون ایجاد می‌شوند که به آن‌ها حالت‌های پوشیده می‌گویند. این حالت‌ها در شدت‌های لیزر در محدوده ده تا صد تریلیون وات بر سانتی‌متر مربع رخ می‌دهند.

برای تولید و کنترل این حالت‌های کوانتومی خاص، پالس‌های لیزری لازم است که بتوانند در یک بازه زمانی کوتاه، فقط چند تریلیونیم ثانیه، به چنین شدت‌هایی دست یابند.

لیزر الکترون آزاد برای تولید تابش لیزری در دامنه فرابنفش شدید

برای آزمایش خود، دانشمندان از لیزر الکترون آزاد FERMI استفاده کردند که امکان تولید نور لیزری در دامنه طیفی فرابنفش شدید با شدت بسیار بالا را فراهم می‌کند. این تابش فرابنفش شدید دارای طول موجی کمتر از ۱۰۰ نانومتر است که برای کنترل حالت‌های الکترونی در اتم‌های هلیوم ضروری می‌باشد.

برای کنترل حالت‌های الکترون-فوتون، محققان از پالس‌های لیزری استفاده کردند که بسته به شرایط پخش یا متراکم می‌شدند. به این منظور، آن‌ها زمان تأخیر اجزای رنگی مختلف تابش لیزری را تنظیم کردند. ویژگی‌های پالس‌های لیزری با استفاده از یک «پالس لیزر بذر» کنترل می‌شد که انتشار لیزر الکترون آزاد را پیش‌شرطی می‌کرد.

برادر می‌گوید: «تحقیقات ما برای اولین بار به ما این امکان را داد که به‌طور مستقیم این حالت‌های کوانتومی گذرا را در یک اتم هلیوم کنترل کنیم.» او ادامه می‌دهد: «تکنیکی که ما توسعه داده‌ایم، زمینه‌ای جدید از تحقیقات را باز می‌کند: این شامل فرصت‌های جدیدی برای بهبود کارایی و انتخاب‌پذیری آزمایش‌ها با لیزرهای الکترون آزاد و به‌دست آوردن بینش‌های جدید در سیستم‌های کوانتومی بنیادی است که با نور مرئی قابل دسترسی نیستند. به‌ویژه، اکنون ممکن است روش‌هایی برای مطالعه یا حتی کنترل واکنش‌های شیمیایی با دقت اتمی توسعه یابند.»