Μετρήθηκε η μικρότερη μονάδα χρόνου

Από την ιστοσελίδα του Nature, 26 Φεβρουαρίου 2004

Φυσικοί στην Αυστρία ισχυρίζονται ότι έχουν παρατηρήσει γεγονότα με τη μικρότερη διάρκεια που έχει γίνει ποτέ, και προγραμματίζουν να χρησιμοποιήσουν την τεχνική αυτή για να μελετήσουν τα ατομικά φαινόμενα.

Μια επιστημονική ομάδα, που καθοδηγήθηκε από τον Αυστριακό - Ουγγρικής καταγωγής - Ferenc Krausz του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Βιέννης, χρησιμοποίησε παλμούς από λέιζερ για να παρατηρήσει τα ηλεκτρόνια γύρω από τα άτομα, και ήταν σε θέση να διακρίνει γεγονότα με διαφορά χρόνου 100 αττοδευτερόλεπτα - ή 10^-16 δευτερόλεπτα.

Για να καταλάβει κανείς πόσο μικρό διάστημα είναι τα 100 αττοδευτερόλεπτα, αρκεί να αναλογιστεί πως αν μεγεθύνονταν αντιστρόφως ανάλογα ώστε να διαρκούν ένα δευτερόλεπτο, στην ίδια κλίμακα, το ένα δευτερόλεπτο θα γινόταν 300 εκατομμύρια χρόνια.

Ο Krausz και η ομάδα του λέει ότι η έρευνα θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση του ρόλου των ηλεκτρονίων στην υπεραγωγιμότητα και στη γιγάντια μαγνητοαντίσταση, ένα μαγνητικό φαινόμενο που χρησιμοποιείται στις συσκευές αποθήκευσης δεδομένων.

"Μόνο στην κλίμακα του attosecond μπορεί κανείς να δει αυτά τα πράγματα να συμβαίνουν", σχολιάζει ο Roger Falcone, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ.

Το αττοδευτερόλεπτο (10^-18 sec), είναι η χρονική κλίμακα των ατομικών γεγονότων. Στο μοντέλο του Niels Bohr του 1913 ενός ατόμου υδρογόνου, το ηλεκτρόνιο έχει περίοδο περιστροφής, περίπου, 150 αττοδευτερόλεπτα.

Το πείραμα

Ο Krausz χρησιμοποίησε παλμούς ακτίνων στην άκρα υπεριώδη περιοχή (XUV) του φάσματος,  διάρκειας 250 αττοδευτερολέπτων για να διεγείρει τα ηλεκτρόνια στα άτομα του αερίου νέον και να κατευθυνθούν σε ένα υψηλότερο επίπεδο ενέργειας. Αυτά τα ηλεκτρόνια βγαίνουν από τα άτομα με διαφορετικές ορμές.

Ένας δεύτερος παλμός ακτίνων, που εκπέμπεται λίγο μετά από τον πρώτο, δίνει ακολούθως στα ηλεκτρόνια μια πρόσθετη ορμή.

Μεταβάλλοντας το μεσοδιάστημα μεταξύ αυτών των δύο παλμών, παράγεται μια διαφορετική κατανομή της ορμής για τα ηλεκτρόνια, την οποία οι επιστήμονες μέτρησαν με έναν ευαίσθητο ανιχνευτή ηλεκτρονίων. Συγκρίνοντας αυτές τις κατανομές η ομάδα κατάλαβε τι συνέβη στα ηλεκτρόνια όταν έπεφτε ο δεύτερος παλμός καθυστερημένα ή πρόωρα.

Με τη συσκευή, που λέγεται Few-Cycle Laser, οι επιστήμονες λοιπόν συνέλαβαν "τομογραφικές εικόνες" αυτών των ηλεκτρονίων που έδωσαν πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά τους σε σχέση με το χρόνο.

Ο Krausz σκέφτεται ότι η τεχνική θα μπορούσε σύντομα να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη των διαδοχικών σταδίων στην πορεία χημικών αντιδράσεων. Επίσης, πιστεύει ότι η τεχνική θα μπορούσε να βελτιωθεί ώστε να ξεχωρίζει γεγονότα που απέχουν χρονικά μεταξύ τους λίγες δεκάδες attosecond. Οι επιστήμονες θα μπορούσαν έτσι να παρακολουθούσαν ηλεκτρόνια που μεταπίπτουν σε διαφορετικά τροχιακά μέσα στο ίδιο άτομο.

Η έρευνα ίσως επίσης προσφέρει και νέα στοιχεία για τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στους υπεραγωγούς.

Η πρόσφατη πρόοδος στη χρησιμοποίηση παλμών λέιζερ μικρής διάρκειας  έχει δημιουργήσει ένα νέο επιστημονικό πεδίο, τη φεμτο-χημεία (femtochemistry), στο οποίο η κίνηση των ατόμων και των μορίων ανιχνεύεται σε μια χρονική κλίμακα της τάξεως του femtosecond (10^-15 s), για να δούμε τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων. Η εξέταση ακόμη και βραχύτερων διαστημάτων θα μπορούσε να μας δώσει περισσότερες λεπτομέρειες.

"Κάθε φορά που παίρνουμε βραχύτερους παλμούς, οι χημικοί λένε ότι δεν τους χρειαζόμαστε", λέει ο David Klug, ένας φωτοχημικός στο Αυτοκρατορικό Κολέγιο του Λονδίνου. "Αλλά έπειτα βρίσκουν έναν τρόπο για να χρησιμοποιηθούν. Όταν αυτό γίνει κατάλληλο προς χρήση, οι άνθρωποι θα βρουν εφαρμογές και για αυτό".

Τα υπάρχοντα ατομικά ρολόγια είναι εξαιρετικά ακριβή η λειτουργία των οποίων βασίζεται σε μια ηλεκτρική ταλάντωση, η οποία ρυθμίζεται από τις φυσικές συχνότητες ταλάντωσης ενός ατομικού συστήματος, όπως π.χ. μιας δέσμης ατόμων καισίου, οι δε μεταπτώσεις μεταξύ των ενεργειακών σταθμών του χρησιμοποιείται για τον επιστημονικό ορισμό της μονάδας χρόνου.

Αυτές οι μεταβολές, που τις αποκαλούν "τικ", συναντώνται στις συχνότητες των μικροκυμάτων. Αλλά οι επιστήμονες επιδιώκουν να μετρήσουν αυτά τα "τικ" χρησιμοποιώντας οπτικές συχνότητες, με τη βοήθεια λέιζερ.

Αυτό πιστεύεται πως θα οδηγήσει σε σταθερότερα και συνεπώς ακριβέστερα ρολόγια.

Υπενθυμίζεται ότι η λειτουργία των ατομικών ρολογιών βασίζεται σε μια ηλεκτρική ταλάντωση, η οποία ρυθμίζεται από τις φυσικές συχνότητες ταλάντωσης ενός ατομικού συστήματος, όπως π.χ. μιας δέσμης ατόμων καισίου.