Физики разобрались с резонансными и нерезонансными задержками фотоионизации молекулы
Физики исследовали однофотонную фотоионизацию молекулы NO под действием синхротронного излучения, опосредованную резонансом формы. Они увидели, что, несмотря на сложную угловую зависимость параметров вылетевшего электрона, вызванную интерференцией между нерезонансным и резонансным каналами ионизации, во втором случае время задержки не зависит от направления его импульса. Исследование опубликовано в Nature Communications.
Квантовая интерференция традиционно ассоциируется с хрестоматийным двухщелевым экспериментом с электроном. Его использовал Ричард Фейнман для наглядной иллюстрации принципа суперпозиции амплитуд вероятности, суть которого в том, что наличие нескольких альтернативных способов протекания физического процесса приводит к их интерференции друг с другом. В том опыте она проявляется через волнообразную дифракционную картину на экране. Этот принцип максимально универсален и работает не только для различных траекторий, а вообще для любых альтернатив.
Квантовая интерференция играет большую роль в квантовых системах со сложной энергетической структурой, типичным примером которых оказываются молекулы. Помимо богатства электронных, колебательных и вращательных уровней они иногда демонстрируют резонансы — квазисвязанные состояния выбитого или рассеянного электрона, вызванные сложным балансом сил, действующих на него. Фотоионизация электрона может происходить как напрямую, так через резонансы, что, согласно принципу суперпозиции, приводит к квантовой интерференции, выражающейся через угловую анизотропию параметров рассеяния. К таким параметрам можно отнести амплитуду, фазу и время задержки, к которому экспериментаторы лишь недавно получили доступ. Сегодня физики расширяют перечень молекул, для которых наблюдается этот эффект, а также методов его исследования.
Группа исследователей из Дании, США и Франции под руководством Даниэля Дауэк (Danielle Dowek) из Университета Париж-Сакле сконцентрировала свое внимание на однофотонной внутривалентной ионизации молекул NO. Анализ амплитуд и фаз вылетающих электронов, измеренных в эксперименте и обработанных с помощью многоканального формализма Фано, позволил выделить канал ионизации, опосредованный резонансном формы молекулы. Оказалось, что временная задержка резонансной составляющей не зависит от угла вылета электрона в системе покоя молекулы.
Для этого физики облучали пучок молекул NO синхротронным излучением в диапазоне от 23,25 до 38,75 электронвольт. Фотоны с такими энергиями отрывали электроны от внутренних оболочек, что приводило к диссоциации молекулы. Одним из каналов ионизации был хорошо известный резонанс формы 4σ→kσ*, чей профиль совпадает с выбранным диапазоном энергий. Заряженные продукты этой реакции — электрон и ион азота — попадали на импульсный спектрометр типа COLTRIMS, работающий в режиме совпадения. Это позволяло восстановить энергию и фазу электрона в системе покоя молекулы, а также время задержки фотоионизации, определяемое через производную фазы по энергии.
Авторы сфокусировались на конфигурации ионизации, при которой оси молекул оказывались ориентированы вдоль направления поляризации света. В этом случае параметры вылетевшего электрона демонстрировали цилиндрическую симметрию, что позволило ограничиться только полярным углом. Физики дополнили эксперимент симуляцией с помощью метода многоканального взаимодействия в конфигурации Швингера, которая показала хорошее согласие с экспериментом.
Для анализа угловой зависимости измеренных и вычисленных данных, исследователи подвергли их обработке с помощью многоканального формализма Фано. Его суть заключалась в разложении параметров рассеяния по парциальным сферическим волнам и разделении соответствующих коэффициентов на резонансные и нерезонансные компоненты. Обратное сложение компонент позволило построить амплитуду, фазу и время задержки фотоионизации для обоих каналов по отдельности. Анализ показал, что хоть амплитуда и фаза в случае ионизации через резонанс демонстрируют ярко выраженную угловую зависимость, ее нет для времени задержки. При этом, как показало исследование, общая временная задержка фотоионизации во многом определяется именно вигнеровским механизмом, возникающим при резонансе формы.
Вигнеровские задержки ранее изучала другая группа физиков, в похожем эксперименте с молекулами моноксида углерода. А еще одна коллаборация нашла новые эффекты при измерении времени задержки при двухфотонной фотоионизации молекул фторида углерода через резонанс формы.
Марат Хамадеев
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».