Fotografie elektronu
Aby można fotografować zdarzenia zachodzące szybko, oświetlanie obiektu powinno odbywać się w krótkich odcinkach czasu. Im są krótsze, tym precyzyjniej odtwarzają ruch. Na początku lat osiemdziesiątych potrafiono uzyskiwać impulsy trwające nanosekundę (10-9 sekundy), a pod koniec tej dekady skrócono ten czas do femtosekundy (10-15 sekundy). Najszybszy znany do tej pory "aparat" skonstruował Egipcjanin Ahmed Zewail, który m.in. za to właśnie dokonanie został w 1999 roku uhonorowany Nagrodą Nobla z chemii. Aparat składa się z co najmniej dwóch laserów, które oświetlają badaną próbkę niezwykle krótkimi błyskami światła. Pierwszy z nich pobudza obecne w probówce cząsteczki do reakcji. Drugi ma na celu "filmowanie" tego, co się dzieje. Za pomocą aparatu Zewaila można śledzić przebieg reakcji chemicznych i obrazy pojedynczych atomów i cząsteczek. Żadna reakcja nie przebiega szybciej niż femtosekundy. Nowa dyscyplina naukowa została więc nazwana femtochemią.
|
|
Obraz elektronów Augera wylatujących z atomu kryptonu. Elektronów nie widzimy jako cząstki lecz zgodnie z mechaniką kwantową w postaci fali. Kolor niebieski oznacza duże, a żółty małe prawdopodobieństwo znalezienia cząstki.
|
Kłopot polega na tym, że nie można uzyskać impulsu światła widzialnego, który trwałby krócej niż kilka femtosekund. Taki parofemtosekundowy impuls jest już bowiem porównywalny z długością jednego okresu fali świetlnej i zachodzi dyfrakcja czyli ugięcie i zamiast polepszenia obrazu następuje rozmycie. Posłużono się więc krótszymi falami z zakresu nadfioletu i miękkich promieni Roentgena.
W zeszłym roku naukowcom z z Instytutu Fotoniki Politechniki w Wiedniu i Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Bielefeld w Niemczech udało się uzyskać impulsy takiego światła o długości kilkuset attosekund. Zaraz potem te zespoły, pod kierunkiem Ferenca Krausza i Markusa Dreschera, zastosowały tę technikę, żeby po raz pierwszy sfotografować superszybkie przeskoki elektronów w atomie.
Jako model do pierwszej prezentacji możliwości ultraszybkiej fotografii posłużył atom kryptonu. Fizycy po raz pierwszy zarejestrowali zjawisko atomowe odkryte w 1925 r. przez Pierre'a Augera. Pierwszy impuls lasera wybija z atomu kryptonu jeden z elektronów krążących w pobliżu jądra. Pozostaje po nim puste miejsce, które burzy porządek całego atomu. W ciągu kilku femtosekund do tej dziury spada i zapełnia ją elektron z wyższej orbity. Takiemu przeskokowi powinno towarzyszyć wypromieniowanie kwantu światła. Zamiast niego jednak z kryptonu wylatuje elektron zwany elektronem Augera.
Elektron jest bardzo małą cząstką, więc posiada zarówno własności cząsteczkowe jak i falowe. Dział fizyki zajmujący się ruchem cząstki z uwzględnieniem jej własności falowych nazywa się mechaniką kwantową. W teorii falowej nie możemy wyróżnić toru cząstki, możemy jedynie określić prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w danym punkcie przestrzeni. Taki obraz rozkładu prawdopodobieństwa znalezienia elektronu otrzymali naukowcy.
Zdjęcia protonów
Udało się zarejestrować ruch protonu w czasie 100 attosekund (10-16 sekundy). Czas ekspozycji rzędu 100 attosekund naukowcy z Imperial College w Londynie osiągnęli oświetlając obiekt impulsem specjalnego lasera. Podobną precyzję można porównać do dzielenia odległości od Ziemi do Jowisza (630 milionów kilometrów) na części szerokości ludzkiego włosa.
Naukowcy obserwowali protony w cząsteczkach wodoru oraz metanu. Cząsteczka wodoru składa się z dwóch jego atomów, natomiast cząsteczka metanu to atom węgla połączony z czterema atomami wodoru. Impuls światła laserowego pozbawia atom wodoru jedynego elektronu i pozostaje tylko proton. Następnie elektron jest znów przyciągany i uwalnia się bardzo krótki błysk promieniowania rentgenowskiego. Na jego podstawie można odtworzyć ruch protonu w cząsteczce. Wyniki podobnych eksperymentów mogą się przydać zarówno przy badaniu reakcji chemicznych, jak i przy konstruowaniu komputerów kwantowych, a nawet do tworzenia nowych źródeł promieniowania rentgenowskiego.
Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym portalu Onet
Dyfrakcja połączonych fotonów
|
|
Dyfrakcja fal na wodzie
|
Zjawisko to jest negatywne w mikroskopach optycznych. Przyjmuje się, że pół długości fali to maksymalna rozdzielczość obserwacji optycznej. Wydawało się, że przyroda postawiła optyce zaporę nie do przekroczenia i niezależnie od tego, z jak wielką precyzją wyszlifujemy soczewki czy skonstruujemy przyrządy optyczne, to nie jesteśmy w stanie otrzymać ostrych, nierozmytych obrazów, na których można by dostrzec najdrobniejsze nawet szczegóły. Również przy odczytywaniu informacji na płytach kompaktowych przyrządy optyczne nie są bowiem w stanie odczytać zbyt drobno i gęsto wypalonych rowków na powierzchni płyt. Z tych samych powodów zawodzą precyzyjne dalmierze oparte na zjawisku interferencji, czyli nakładania się i wygaszania fal świetlnych.
Dotychczas sięgano do fal świetlnych o coraz mniejszej długości, które dużo bardziej opornie się uginają. W odtwarzaczach kompaktowych laser czerwony jest zastępowany przez niebieski (bo ta barwa ma o połowę krótszą długość fali). Zaś materię w skali atomowej obserwuje się i bada za pomocą bardzo krótkich fal Roentgena albo mikroskopów elektronowych (fale związane z elektronami są kilka rzędów krótsze od fal widzialnego światła).Fotony można "połączyć" ze sobą. Taki związek fizycy określają mianem kwantowego splątania co wykorzystuje się w teleportacji. Fotony w grupie w zagadkowy sposób tworzą jedną całość, mimo że mogą być oddalone o miliony kilometrów (Albert Einstein nazywał splątanie "upiornym oddziaływaniem na odległość", bo nie bardzo w nie wierzył).
Na podstawie obliczeń kwantowo-optycznych można pokazać, że kiedy przez szczeliny jednorazowo przechodzą tylko pojedyncze fotony, powstaje dokładnie taki sam obraz interferencyjny jak w klasycznym eksperymencie Younga (z tą tylko różnicą, że obraz interferencyjny otrzymujemy stopniowo, kropka po kropce - w miarę jak na ekran padają kolejne fotony). Taki eksperyment wykonała np. grupa Alana Aspecta w 1986 roku.
Jednakże optyka kwantowa przewiduje również, że jeżeli fotony będą wychodzić ze szczelin parami, albo oba lewą, albo oba prawą, to:
- nie zobaczymy gołym okiem interferencji,
- wystąpi tzw. interferencja dwufotonowa (dwa detektory ustawione w pewnych miejscach będą częściej razem zliczać fotony, za to w innych miejscach nigdy nie będą razem zliczać fotonów),
- te zmiany intensywności wspólnych zliczeń fotonów będą się zachowywać tak, jakby rządziła tym zjawiskiem fala o długości dwa razy krótszej niż długości fali każdego fotonu z osobna.
Taki eksperyment wykonał Rarity i współpracownicy w 1990 roku.W kwietniu 2004 roku poinformowano, że fizycy z uniwersytetów w Toronto (zespół prof. Steinberga) uzyskał splątanie trzech fotonów, a z Wiednia (zespół prof. Zeilingera) splątanie czterech fotonów. Światło zachowywało się w tym eksperymencie w taki sposób, jakby było falą o odpowiednio trzy i cztery razy krótszej długości. Co więcej, fizycy twierdzą, że fotony można łączyć w liczniejsze grupy i jeszcze bardziej zmniejszyć długość fali.
Uzyskanie splątanych grup fotonów pozwoli zmniejszyć skutki dyfrakcji w mikroskopii, zapisywaniu informacji i pomiarach odległości. Być może też powstaną bardziej czułe detektory do wykrywania fal grawitacyjnych, które opierają się na interferencji.
Opracowano na podstawie serwisu naukowego Gazety Wyborczej
