Forskere foreslår en ny måte å generere en lyskilde laget av sammenfiltrede fotoner

Entanglement er et merkelig fenomen i kvantefysikk hvor to partikler er iboende forbundet med hverandre uansett avstand mellom dem. Når den ene måles, er den andre målingen umiddelbart gitt. Forskere fra Purdue University har foreslått en ny, ukonvensjonell tilnærming for å generere en spesiell lyskilde som består av sammenfiltrede fotoner. 6. september 2022 publiserte de funnene sine i Physical Review Research.

Teamet foreslo en metode for å generere entangled fotoner ved ekstreme ultrafiolette (XUV) bølgelengder der ingen slik kilde for tiden eksisterer. Arbeidet deres gir et veikart for hvordan man genererer disse sammenfiltrede fotonene og bruker dem til å spore dynamikken til elektroner i molekyler og materialer på de utrolig korte tidsskalaene til attosekunder.

“De sammenfiltrede fotonene i vårt arbeid er garantert å ankomme et gitt sted innen en veldig kort varighet av attosekunder, så lenge de reiser samme avstand,” sier Dr. Niranjan Shivaram, assisterende professor i fysikk og astronomi. “Denne korrelasjonen i ankomsttiden deres gjør dem svært nyttige for å måle ultraraske hendelser. En viktig applikasjon er i attosekund-metrologi for å presse grensene for måling av fenomener på den korteste tidsskalaen. Denne kilden til sammenfiltrede fotoner kan også brukes i kvanteavbildning og spektroskopi. , hvor sammenfiltrede fotoner har vist seg å forbedre evnen til å få informasjon, men nå ved XUV og til og med røntgenbølgelengder.”

Forfatterne av publikasjonen, med tittelen “Attosecond entangled photons from to-foton decay of metastabile atoms: A source for attosecond experiments and beyond,” er alle fra Purdue University Department of Physics and Astronomy og jobber med Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). De er Dr. Yimeng Wang, nyutdannet ved Purdue Universitetet, Siddhant Pandey, Ph.D.-kandidat innen eksperimentell ultrarask spektroskopi, Dr. Chris H. Greene, Albert Overhauser Utmerket professor i fysikk og astronomi og Dr. Shivaram.

“Institutt for fysikk og astronomi ved Purdue har et sterkt atom-, molekylær- og optisk fysikkprogram (AMO), som samler eksperter innen ulike underområder av AMO,” sier Shivaram. “Chris Greenes ekspertkunnskap om teoretisk atomfysikk kombinert med Niranjans bakgrunn i det relativt unge feltet av eksperimentell attosekundvitenskap førte til dette samarbeidsprosjektet. Mens mange universiteter har AMO-programmer, er Purdues AMO-program unikt mangfoldig ved at det har eksperter innen flere delfelter av AMO-vitenskap.”

Hver forsker spilte en betydelig rolle i denne pågående forskningen. Greene foreslo innledningsvis ideen om å bruke fotoner som sendes ut av heliumatomer som en kilde til sammenfiltrede fotoner, og Shivaram foreslo applikasjoner for attosecond-vitenskap og foreslo eksperimentelle opplegg. Wang og Greene utviklet deretter det teoretiske rammeverket for å beregne sammenfiltrede fotonutslipp fra heliumatomer, mens Pandey og Shivaram gjorde estimater av sammenfiltrede fotonutslipps-/absorpsjonshastigheter og utarbeidet detaljene i de foreslåtte attosekunder-eksperimentplanene.

Publikasjonen markerer begynnelsen på denne forskningen for Shivaram og Greene. I denne publikasjonen foreslår forfatterne ideen og utarbeider de teoretiske aspektene ved eksperimentet. Shivaram og Greene planlegger å fortsette å samarbeide om eksperimentelle og videre teoretiske ideer. Shivarams laboratorium, Ultrafast Quantum Dynamics Group, bygger for tiden et apparat for å eksperimentelt demonstrere noen av disse ideene. Ifølge Shivaram er håpet at andre forskere innen attosecond science vil begynne å jobbe med disse ideene. En samlet innsats fra mange forskningsgrupper kan ytterligere øke effekten av dette arbeidet. Til slutt håper de å få tidsskalaen til sammenfiltrede fotoner ned til zeptosekundet, 10^-21 sekunder.

“Vanligvis utføres eksperimenter på attosekunder-tidsskalaer ved å bruke attosekunder-laserpulser som ‘strober’ for å ‘avbilde’ elektronene. Gjeldende grenser for disse pulsene er rundt 40 attosekunder. Vår foreslåtte idé om å bruke sammenfiltrede fotoner kan presse dette ned til noen få attosekunder eller zeptosekunder,” sier Shivaram.

For å forstå timingen må man forstå at elektroner spiller en grunnleggende rolle i å bestemme oppførselen til atomer, molekyler og faste materialer. Tidsskalaen for bevegelse av elektroner er vanligvis i femtosekund (en milliondels milliarddels sekund—10^-15 sekunder) og attosekund (en milliarddels milliarddels sekund, eller 10^-18 sekunder) skala. I følge Shivaram er det viktig å få innsikt i dynamikken til elektroner og spore bevegelsen deres på disse ultrakorte tidsskalaene.

“Målet med feltet for ultrarask vitenskap er å lage slike “filmer” av elektroner og deretter bruke lys til å kontrollere oppførselen til disse elektronene for å konstruere kjemiske reaksjoner, lage materialer med nye egenskaper, lage enheter i molekylskala, etc.,” han sier. “Dette er lys-materie-interaksjon på sitt mest grunnleggende nivå, og mulighetene for oppdagelse er mange. Et enkelt zeptosekund er 10^-21 sekunder. Tusen zeptosekunder er en attosekund. Forskere begynner først nå å utforske zeptosekund-fenomener, selv om det eksperimentelt er utenfor rekkevidde på grunn av mangel på zeptosekund-laserpulser. Vår unike tilnærming til bruk sammenfiltrede fotoner i stedet for fotoner i laserpulser kunne tillate oss å nå zeptosekund-regimet. Dette vil kreve betydelig eksperimentell innsats og er sannsynligvis mulig på en tidsskala på fem år.”

---

---