El campo de la física de attosegundos se creó con la misión de explorar las interacciones luz-materia a resoluciones temporales sin precedentes. Los avances recientes en este campo han permitido a los físicos arrojar nueva luz sobre la dinámica cuántica de los portadores de carga en átomos y moléculas

Una técnica que ha demostrado ser particularmente valiosa para realizar investigaciones en este campo es RABBITT (es decir, la reconstrucción de latidos de attosegundos por interferencia de transiciones de dos fotones). Esta prometedora herramienta se utilizó inicialmente para caracterizar pulsos láser ultracortos, como parte de un esfuerzo de investigación que ganó el Premio Nobel de este año, pero desde entonces también se ha empleado para medir otros fenómenos físicos ultrarrápidos.

Investigadores de la Universidad Normal del Este de China y la Universidad Queen de Belfast se basaron recientemente en la técnica RABBITT para medir claramente las contribuciones individuales en la fotoionización. Su artículo, publicado en Physical Review Letters , presenta un nuevo método muy prometedor para realizar investigaciones en física de attosegundos.

"La técnica RABBITT esencialmente proporciona un cronómetro ultrarrápido para procesos electrónicos, de modo que podemos medir (por ejemplo) el tiempo de retraso entre la ionización de diferentes electrones en un átomo", dijo a Phys. Andrew C. Brown, coautor del artículo. .org.

"Sin embargo, una de las dificultades de estos experimentos es que cuando hay múltiples procesos que interfieren, el panorama se vuelve sustancialmente más complejo y ya no podemos hacer afirmaciones concretas sobre el momento de los diversos mecanismos. En esencia, también hay muchas variables y pocas ecuaciones para resolverlas.

"La verdadera genialidad del experimento de Xiaochun y Jian fue proporcionar más ecuaciones o, con mayor precisión, mediciones más distintas, lo que nos permitió desentrañar los diferentes mecanismos".

En sus experimentos, Xiaochun Gong y Jian Wu, los autores que lideraron el proyecto, utilizaron dos pulsos láser, que es la práctica estándar al implementar la técnica RABBITT. Sin embargo, cambiaron la polarización (es decir, el ángulo de inclinación) de estos pulsos para obtener un mayor control sobre las mediciones que recopilaron.

Inicialmente, los investigadores se propusieron resolver los retrasos en la fotoionización para diferentes ángulos de emisión. En otras palabras, querían determinar si un electrón se comporta de manera diferente cuando se emite en diferentes direcciones con respecto al campo láser. Sin embargo, una vez que comenzaron a examinar los datos recopilados en sus experimentos, se dieron cuenta de que presentaban un panorama mucho más complejo de lo que habían previsto.

"Nuestro trabajo actual es también un paso adelante con respecto a nuestro trabajo anterior con medidores de onda parcial atómica", dijo Gong. "Nuestro sueño es llevar la medición de la fotoionización de attosegundos al nivel de onda parcial, que es la definición original del cambio de fase de dispersión."

Los investigadores recogieron sus mediciones en muestras de helio, neón y argón. Examinar el helio es sencillo, ya que solo contiene dos electrones y en realidad solo existe un método para ionizarlo, mientras que el neón y el argón son sistemas mucho más complejos.

"Más precisamente, cuando se ioniza helio, sólo hay un posible estado de ión residual", dijo Brown. "Sin embargo, para el neón y el argón las cosas son mucho más complicadas. Por un lado, hay más electrones de los que preocuparse y, por otro, hay múltiples estados iónicos residuales, todos los cuales contribuyen de alguna manera (hasta ahora) desconocida a la señal medida. La forma en que interpretamos/explicamos esto fue pensar en el clásico experimento de la 'doble rendija de Young', en el que la luz pasa a través de dos aberturas antes de ser 'medida' en una pantalla".

En el experimento clásico de la doble rendija de Young, la luz que pasa a través de dos aberturas produce un patrón de interferencia en una pantalla. Esto se debe a que las ondas que pasan a través de cada apertura llegan al mismo lugar a través de diferentes rutas, lo que resulta en las llamadas "franjas" de interferencia constructiva o destructiva.

"La clave de ese experimento, y la razón por la que ha formado una metáfora tan convincente, especialmente para los teóricos cuánticos, es que no se puede saber por qué rendija pasó la luz, ya que esto no se puede medir", dijo Brown. "Lo único que se puede medir es la interferencia, y la 'información de qué dirección' es inaccesible."

En los experimentos llevados a cabo por Brown, Gong y sus colaboradores, las dos aberturas en los experimentos clásicos de doble rendija de Young eran dos estados de iones residuales diferentes en neón. Por el contrario, el patrón de interferencia que midieron fue la distribución angular de fotoelectrones producida por los dos pulsos láser sesgados.

"Al realizar la medición para dos ángulos de inclinación diferentes y luego calcular todas las diferentes rutas que los electrones podrían tomar para llegar a un estado final, podríamos resolver las ecuaciones para obtener tanto la amplitud como la fase de cada ruta diferente". Dijo Brown. "En otras palabras, descubrimos por qué rendija pasó el electrón y cómo".

La mayoría de los estudios en física experimental de attosegundos utilizan cálculos teóricos ligeros para explicar sus hallazgos a posteriori. Sin embargo, este proyecto requirió simulaciones mucho más detalladas para tener en cuenta la compleja dinámica en juego y, en esencia, proporcionar una predicción para que el experimento la confirme.

"El método que utilizamos para reconstruir las diferentes vías en el experimento tiene una base teórica sólida, pero la dinámica es tan compleja que sería difícil argumentar firmemente que los números que extraemos del experimento son confiables", dijo Brown. "Realizamos simulaciones con la matriz R con código de dependencia del tiempo (RMT), que puede manejar todas estas dinámicas desde los primeros principios, y desde allí pudimos extraer las amplitudes y fases directamente".

Cuando compararon sus resultados experimentales con los de la simulación, descubrieron que estaban estrechamente alineados. Esto sugiere que su experimento realmente midió lo que teóricamente afirmaban que hacía.

"En resumen, intentamos utilizar el campo láser para conectar una fase adicional a la onda D intermedia", dijo Gong. "Podemos identificar la onda s y la onda d, pero podemos alterar su propiedad de fase y observar su propiedad de interferencia final. Por ejemplo, podemos abrir la caja para saber si el 'gato cuántico' está vivo o no, pero "Puedo agregar algo de perturbación y verificar si la caja tiene alguna respuesta o no, donde las respuestas son imprescindibles debido a la reacción del gato en ella."

Los investigadores ven el método experimental propuesto como un "medidor de ondas parciales", o en otras palabras, una herramienta que puede medir eficazmente las contribuciones individuales en la fotoionización. En particular, el método propuesto se basa en dos técnicas experimentales distintas, a saber, cambiar la polarización del láser y medir la coincidencia de fotoelectrones e iones, que no se habían utilizado juntas anteriormente.

"Nuestro trabajo combinó estas técnicas de tal manera que hizo posible esta nueva medición", dijo Brown. "Eso no quiere decir que las mediciones fueran sencillas de ninguna manera, pero no sería una sorpresa ver esa misma combinación de técnicas utilizadas para realizar mediciones más interesantes de dinámica ultrarrápida en los próximos años".

Otro aspecto único de este estudio reciente es la simulación utilizada para validar los resultados experimentales del equipo. Durante mucho tiempo, los científicos han intentado interpretar datos experimentales utilizando modelos teóricos, pero Brown, Gong y sus colegas decidieron utilizar una simulación.

"Los resultados que proporciona RMT son menos intuitivos porque el modelo está lejos de ser simple", explicó Brown. "Sin embargo, al incluir una descripción de todos los efectos multielectrónicos interesantes y hacerlo de manera general para que no se limite a datos específicos átomos o parámetros láser específicos, podemos comenzar a realizar experimentos en este campo de una manera que no ha sido posible durante los treinta años de attociencia hasta ahora."

El trabajo reciente de este equipo de investigadores ofrece nuevos conocimientos sobre la dinámica fundamental de la fotoionización. Si bien Brown, Gong y sus colaboradores se centran principalmente en la física de este fenómeno, en el futuro sus esfuerzos podrían ayudar a identificar nuevas estrategias para controlar los electrones utilizando la luz. Esto podría contribuir al desarrollo de circuitos electrónicos ultrarrápidos y tecnologías fotovoltaicas (paneles solares), o quizás incluso podría ayudar a diseñar herramientas médicas que prevengan el daño por radiación a las células.

"Estamos trabajando en la construcción de una teoría más completa de los procesos de orden superior en la fotoemisión", dijo Brown. "En otras palabras, estamos tratando de describir teóricamente lo que sucede cuando absorbes múltiples (más de dos) fotones en estos experimentos tipo RABBITT. Aunque tenemos este código RMT que puede simular la dinámica desde los primeros principios, si quieres interpretar los hallazgos también necesitan algún modelo relativamente simple para explicar las diferentes vías."

Mientras trabajan en un modelo teórico que pueda explicar los datos recopilados en sus experimentos, los investigadores planean continuar realizando experimentos y ejecutando simulaciones en regímenes de intensidad cada vez más altos. Esperan que esto les permita examinar más a fondo las transiciones de sistemas de pocos fotones a sistemas multifotónicos y, en última instancia, a la física de campo fuerte.

"El desarrollo de la física de campos fuertes se aleja de la teoría tradicional de la dispersión y existe una gran brecha entre ellas", añadió Gong. "Es necesario construir un puente intermedio para proporcionar una comprensión suave de un fotón a un multifotón."

Más información: Wenyu Jiang et al, Resolución de la caja negra de interferencia cuántica mediante espectroscopia de fotoionización de attosegundos, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.203201

Información de la revista: Cartas de revisión física

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