Пара аттосекундных импульсов запутала молекулярный катион и фотоэлектрон

Немецкие физики обнаружили эффекты квантовой запутанности при фотоионизации и диссоциации молекулы водорода. Для этого они модифицировали традиционную схему накачки-зондирования, использовав в качестве накачки не один, а два аттосекундных импульса. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Квантовая система, состоящая из нескольких частей, считается запутанной, если ее состояние невозможно представить через простое произведение волновых функций отдельных частей. Квантовую запутанность принято ассоциировать с квантовыми коммуникациями или квантовыми вычислениями, где она играет важнейшую роль. Из-за отсутствия непосредственного контакта между различными частицами или кубитами, запутанность очень быстро разрушается. Вместе с тем запутанность — это неотъемлемое свойство состояний многоэлектронных оболочек в атомах, поскольку только так они могут удовлетворять требованиям симметрии. В теории такие квантовые корреляции должны сохраняться и в том случае, если один из электронов удаляется из атома.

Процессы ионизации в последние годы изучаются особенно тщательно благодаря развитию техник накачки-зондирования, исследующих динамику на аттосекундном масштабе. В основе этих экспериментальных методов лежит разделение луча мощного инфракрасного лазера на две части, одна из которых подается на атомарный или молекулярный газ, в котором происходит генерация старших гармоник с образованием аттосекундных широкополосных импульсов в диапазоне экстремального ультрафиолета. Затем обе части подаются на исследуемые молекулы с контролируемой задержкой.

В одной из работ физики реализовали схему, в которой аттосекундный импульс доходит до молекулы водорода первым, ионизируя ее и переводя ее катион в суперпозиционное состояние с различными колебательными квантовыми числами. Прилетающий следом инфракрасный импульс приводит к диссоциации катиона на атом водорода и протон. Измеряя характеристики протона в зависимости от времени задержки между импульсами, ученые делали вывод о когерентной осцилляции волнового пакета в катионе. Квантовая запутанность же, которая может возникнуть между катионом и фотоэлектроном, в некотором смысле противопоставляется простой суперпозиции ионных состояний. Возникновение такого типа корреляций при ионизации было обнаружено физиками пока только в атомах, но не в молекулах.

Марк Враккинг (Marc Vrakking) с коллегами из Института нелинейной оптики и спектроскопии коротких импульсов имени Макса Борна рассказали об обнаружении эффектов квантовой запутанности между фотоэлектроном и состоянием молекулярного катиона. Для этого они модифицировали эксперимент по ионизации и диссоциации молекулы водорода с помощью накачки и зондирования, используя не один, а два аттосекундных импульса.

Проделанная авторами работа — это экспериментальная реализация идей, высказанных ранее Враккингом. Он рассмотрел процесс, при котором ионизация молекулы водорода происходит под действием двух аттосекундных импульсов. Согласно расчетам, характер запутанности между состояниями катиона и вылетевшего электрона будет зависеть от времени задержки между импульсами. Если оно равно целому числу периодов, с которыми осциллирует волновой пакет, то состояние фотоэлектрона практически не будет зависеть от того, какое колебательное квантовое число у катиона. В этом случае сохраняется квантовая суперпозиция, которая приводит к биениям в спектрах протонов, образованных в результате диссоциации с помощью зондирующего инфракрасного импульса. Если же время задержки равно полуцелому числу периодов, тогда возникает квантовая корреляция между состоянием фотоэлектрона и колебательным состоянием катиона. Эффекты декогеренции приводят к коллапсу запутанности в одну из комбинаций состояний и, следовательно, к исчезновению биений.

Для проверки этой идеи авторы использовали титан-сапфировый лазер, часть излучения которого направлялась на облако аргона для генерации двух аттосекундных коротковолновых импульсов. Физики могли менять задержку между ними в диапазоне от 11 до 102 фемтосекунд с шагом в 3 фемтосекунды. Они направляли полученную пару импульсов на струю из молекул водорода для ионизации. Образовавшиеся катионы исследователи облучали остальной частью инфракрасного пучка. Спектр образовавшихся в результате диссоциации протонов измерял спектрометр карты скоростей. Физики повторили эксперимент для диапазона задержек между парой аттосекундных и между аттосекундными и инфракрасным импульсами.

Распределение импульсов протонов для каждой пары времен задержек зависело от модуля их скорости и угла. Чтобы исключить последний авторы раскладывали распределение в ряд по полиномам Лежандра. Образующиеся коэффициенты имели различный характер биений в зависимости от времени задержки между парой аттосекундных импульсов. Преобразование Фурье позволило определить, между какими конкретно колебательными подуровнями эти биения происходят. Строя зависимость амплитуды биений для каждой пары квантовых чисел от задержки между аттосекундными импульсами, физики убедились, что она имеет периодический характер, а сами биения действительно практически исчезают, когда задержка равна полуцелому числу периодов. Таким образом, подавление когерентности свидетельствовало о наличии запутанности между состоянием катиона и фотоэлектроном.

Авторы отмечают, что их исследование важно в первую очередь для тех их коллег, кто изучает эффекты когерентности, поскольку в этом случае квантовую запутанность уже нельзя сбрасывать со счетов. Вместе с тем, проделанная работа устанавливает связь между сверхбыстрой лазерной спектроскопией и квантовой информатикой, в основе которой лежит явление запутанности.

Эксперименты по накачке-зондированию с помощью аттосекундных импульсов проводятся и в обратном порядке: сначала инфракрасный, а затем экстремально-ультрафиолетовый. В этом случае также можно наблюдать когерентную суперпозицию между подуровнями молекул, о чем мы недавно рассказывали.

Марат Хамадеев