Физики описали поведение нанокапель сверхтекучего гелия после взаимодействия с лазерным излучением энергией 21 и 22,2 электронвольта. Сравнивая теоретические расчеты с экспериментально полученными фотоэлектронными спектрами, авторы установили, что релаксация происходит ультрабыстро (меньше трех пикосекунд) и в три стадии. После возбуждения низших возбужденных уровней в нанокапле образуется пузырек. Поднимаясь на поверхность, он увлекает за собой и высвобождает возбужденные атомы гелия, которые затем релаксируют. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Взаимодействие излучения с веществом наноразмеров может приводить к самым разным исходам, которые зависят от механизма возвращения системы в равновесное состояние (релаксации). В зависимости от окружения релаксация бывает ультрабыстрой (несколько фемтосекунд) или медленной, если энергия может задерживаться метастабильными состояниями. Понимание ультрабыстрого ответа наночастиц на возбуждение световой энергией часто необходимо для исследований в областях экологии, медицины и фотокатализа.
В качестве модельной системы для изучения фотодинамики в наноструктурах со слабыми связями идеально подходят сверхтекучие нанокапли гелия. Атомы гелия имеют простую электронную структуру, межатомные связи чрезвычайно слабы, а структура нанокапель однородна и почти не зависит от размера в силу сверхтекучей природы. Свойства такой системы изучают бомбардировкой электронами или облучением экстремальным ультрафиолетом. На данный момент ученые уже выявили некоторые сверхбыстрые процессы, инициируемые возбуждением высокоэнергетических состояний, однако переходы из состояний ниже порога ионизации полем и, в частности, образование пузырьков в чистых нанокаплях, не исследовали ни по самой сильной полосе поглощения возбужденного атома гелия (около 21,6 электронвольта), ни по самому низкоэнергетическому оптически доступному состоянию (21 электронвольт).
Чтобы изучить процесс релаксации незаряженных нанокапель гелия, группа ученых из семи стран под руководством Марселя Мюдриха (Marcel Mudrich) из Орхусского университета возбуждала низшие возбужденные уровни атомов гелия лазерным излучением, регистрировала фотоэлектронные спектры и сравнивала полученные данные с рассчитанными моделями. Для создания нанокапель ученые порциями пропускали газ гелия под давлением 50 бар через охлаждаемое сопло в камеру спектрометра. Размеры нанокапель регулировали, изменяя температуру сопла от 5 до 28 кельвин. Облучение импульсами с энергиями от 21 до 22,2 электронвольт проводили с помощью лазера на свободных электронах FERMI, способного генерировать короткие (около ста фемтосекунд) импульсы линейно-поляризованного света в диапазоне энергий экстремального ультрафиолета с шириной полосы меньше десятой доли электронвольта.
Сравнивая теоретические расчеты и экспериментальные данные, ученые восстановили динамику релаксации возбужденных нанокапель гелия. После возбуждения капли переходили в основное состояние через три стадии: за время, меньшее 250 фемтосекунд, релаксировал образовавшийся под действием излучения эксимер из двух атомов гелия, один из которых был в возбужденном состоянии, затем за полпикосекунды вокруг возбужденного атома гелия возникал полый пузырек, который на следующей медленной (2,5 пикосекунды) стадии мигрировал к поверхности капли, высвобождая возбужденный атом гелия. На поверхности этот атом релаксировал через стадию образования эксимера, который затем испускал фотон и окончательно колебательно релаксировал, частично отрываясь от капли.
По словам авторов, результаты исследования могут соотноситься и с другими системами слабосвязанных атомов в конденсированных фазах. Визуализация описанных процессов на сегодняшний день задача сложная в силу малых размеров образующихся в капле пузырьков, однако дальнейшее развитие источников интенсивного рентгеновского излучения поможет достичь разрешения в несколько атомов и проследить за процессами в нанокапле. Представленный метод может оказаться полезным для изучения фотодинамики более сложных природных или искусственных наносистем.
Прошлой осенью физики смогли зарядить нанокапли гелия до значения 55 зарядов электрона, причем среднее время их жизни составляло несколько миллисекунд. Чтобы этого добиться, ученые последовательно облучали нанокапли пучками электронов с энергиями порядка нескольких сотен электронвольт.
Алина Кротова
В будущем это позволит проводить масштабные квантовые симуляции
Немецкие физики продемонстрировали технологию создания трехмерных оптических решеток на основе эффекта Тальбота. Он заключается в формировании волнового паттерна — «ковра» — сразу за дифракционной решеткой, в котором изображение щелей периодически повторяется. Таким способом ученым удалось загрузить более десяти тысяч атомов в бездефектную трехмерную решетку и продемонстрировать в ней адресную работу с атомами. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Пленение атомов светом сделало возможным прорывы в самых различных областях физики: от ультрахолодной химии и физики квантовых газов до квантовых вычислений и атомных часов. Подробнее о том, как работает эта технология в оптических пинцетах, мы рассказывали в материале «Скальпель и пинцет». Ряд задач требует пленения сразу большого числа атомов. Наиболее частым способом сделать это стали двумерные оптические решетки. Их формируют либо на пересечении стоячих волн, ориентированных под углом друг к другу, либо создавая систему оптических пинцетов из одного луча с помощью акустооптических модуляторов или металинз. Выход в третье измерение станет главным путем масштабирования технологий на основе пленения множества атомов. Физики умеют создавать трехмерные решетки с помощью скрещивания трех пар лазерных лучей. Ранее это позволило увеличить точность атомных часов. Но пока это технология довольно сложная и допускает малую вариативность параметров решетки. Мальте Шлоссер и его коллеги из Дармштадтского технического университета предложили новый подход к созданию трехмерных оптических решеток. Он основан на явлении, которое носит название эффект или «ковер» Тальбота. Он возникает непосредственно за дифракционной решеткой (то есть, в ближнем поле) после того, как на нее падает плоская волна, и представляет собой сложный фрактальный паттерн из областей повышенной и пониженной интенсивности. Важно при этом, что изображение щелей повторяется на расстояниях, равных полуцелому числу длины Тальбота. В какой-то момент, определяемый шириной дифракционной решетки, «ковер» заканчивается, и лучи расходятся в дальнее поле согласно теории Фраунгофера. Идея авторов заключается в том, чтобы загружать атомы в эти дополнительные слои с массивами световых пятен. При реализации этой идеи физики заменили дифракционную решетку двумерным массивом микролинз размером 166×166 штук и периодом 30 микрометров и облучали его светом титан-сапфирового лазера с длиной волны 796,3 нанометра. После прохождения массива микролинз свет попадал в обычную оптику, с помощью которой авторы настраивали параметры «ковра». В их опыте период решетки был равен 10 микрометрам, а расстояние между слоями — 133 микрометрам. Затем ученые загружали в получившуюся решетку охлажденные атомы рубидия-85. Атомы захватывались в узлы с вероятностью 60 процентов, поэтому физикам потребовался дополнительный пинцет, чтобы расставить атомы в бездефектные массивы в каждом слое. В результате им удалось получить 17 таких слоев по 777 атомов в каждом. Физики исследовали возможность масштабирования получившихся решеток. Они выяснили, что общее число атомов, которое можно будет пленить таким способом, может быть доведено до ста тысяч, если увеличить мощность лазера всего в пять раз. Помимо этого авторы продемонстрировали возможности адресации атомов, выстроив их в антиферромагнитный порядок по спину, а также решетки с более сложной геометрией. Предложенная физиками технология в перспективе способна масштабировать квантовые компьютеры и квантовые симуляторы на основе ридберговских атомов. Для этого им нужно будет придумать, как сократить расстояние между слоями, сделав его сопоставимым с периодом внутри слоя. Квантовыми симуляциями на плененных ридберговских атомах занимается группа Лукина, которая изготовила 256-кубитный квантовый симулятор. Подробнее об их работе мы рассказывали в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».