انفجار کوانتومی در هلیوم: دانشمندان ایرانی-آلمانی کنترل نور و الکترون را در دست گرفتند!

کنترل کمّی حالت‌های برهم‌کنش الکترون-فوتون در اتم‌های هلیوم: یک گام بزرگ

گروهی از دانشمندان بین‌المللی، به سرپرستی دکتر لوکاس برودر، که سرگروه پژوهشی جوانی در مؤسسه فیزیک دانشگاه فرایبورگ است، موفق به تولید و کنترل مستقیم حالت‌های کوانتومی هیبریدی، یا همان ترکیبی از الکترون و فوتون، در اتم‌های هلیوم شده‌اند. آن‌ها برای این منظور از پرتوهای لیزری بسیار نیرومند و خاصی از نور فرابنفش بهره بردند که با لیزر الکترون آزاد FERMI در تریِست ایتالیا ایجاد شده بود.

این محققان با اتکا به یک روش نوین در شکل‌دهی پالس‌های لیزر، توانستند کنترل دقیقی بر این حالت‌های کوانتومی ترکیبی داشته باشند. نتایج این پژوهش در مجله‌ی معتبر Nature منتشر شده است.

آفرینش حالت‌های کوانتومی نو، با میدان‌های پرنور و قوی

تا وقتی که الکترون‌ها در اتم اسیرند، انرژی آن‌ها تنها می‌تواند مقادیر معینی باشد که عمدتاً به خود اتم بستگی دارد. اما اگر اتمی در معرض پرتو لیزری بسیار قوی قرار گیرد، سطوح انرژی آن دگرگون می‌شود. در این شرایط، حالت‌های هیبریدی الکترون-فوتون شکل می‌گیرند که به آن‌ها حالت‌های پوشیده‌شده هم می‌گویند. این حالت‌ها وقتی شدت لیزر در بازه‌ی ده تا صد تریلیون وات بر سانتی‌متر مربع باشد، رخ می‌دهند.

برای اینکه این حالت‌های کوانتومی خاص را تولید و کنترل کنند، به پالس‌های لیزری نیاز است که بتوانند در یک بازه‌ی زمانی کوتاه، یعنی فقط چند تریلیونیوم ثانیه، به چنین شدت‌هایی برسند.

لیزر الکترون آزاد: ابزاری برای تابش‌های لیزری فرابنفش فوق‌العاده

دانشمندان در این آزمایش از لیزر الکترون آزاد FERMI استفاده کردند که این امکان را فراهم می‌کند تا نور لیزری با شدت خیلی زیاد، در محدوده‌ی طیفی فرابنفش شدید تولید شود. این تابش فرابنفش شدید، طول موجی کمتر از ۱۰۰ نانومتر دارد، که برای کنترل مناسب حالت‌های الکترونی در اتم‌های هلیوم ضروری است.

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

برودر می‌گوید: «تحقیقات ما برای اولین بار این امکان را فراهم کرد که بتوانیم مستقیماً این حالت‌های کوانتومی زودگذر را در اتم هلیوم کنترل کنیم.» و ادامه می‌دهد: «تکنیکی که ما توسعه داده‌ایم، راه را برای یک حوزه‌ی جدید تحقیقاتی باز می‌کند: این شامل فرصت‌های جدیدی برای بهبود بازده و گزینش‌پذیری آزمایش‌ها با لیزرهای الکترون آزاد و همچنین فهمیدن جنبه‌های تازه‌ای از سیستم‌های کوانتومی بنیادین می‌شود که با نور معمولی قابل دسترس نیستند. به‌ویژه، حالا می‌توان روش‌هایی را برای مطالعه، یا حتی کنترل واکنش‌های شیمیایی با دقت اتمی، توسعه داد.»