Насколько быстро перемещаются электроны между атомами в пределах одной молекулы? В большинстве случаев им требуется для этого всего несколько аттосекунд (10^-18 секунды или миллионной от миллиардной доли секунды). Отслеживание таких быстрых процессов является сложнейшей задачей, и недавно группа ученых из Австралии разработала новую интерференционную технологию, способную к обеспечить измерение временных задержек с зептосекундной (10-21 секунды или триллионная от миллиардной доли секунды) разрешающей способностью.
В качестве проверки эта технология была использована для измерения задержки между двумя импульсами света, излученными различными изотопами водорода - нормальным водородом (H2) и дейтерием (D2), на которые оказывалось одновременное воздействие одного импульса лазерного света. Величина измеренной задержки составила менее трех аттосекунд, а причиной ее появления является разница динамики движения более легких и более тяжелых ядер атомов изотопов водорода.
Свет излучался атомами водорода за счет процесса, называемого генерацией высших гармоник (high harmonic generation, HHG). Этот процесс происходит, когда электрон выбивается из атома мощным потоком света, который, к тому же, ускоряет электрон до более высокой энергии (скорости). Когда электрон вновь возвращается в "лоно" атома, излучается квант жесткого ультрафиолетового света (extreme ultraviolet, XUV). Частот, интенсивность и фаза вторичного излучения сильно зависят от параметров волновых функций, поэтому все атомы и молекулы испускают жесткий ультрафиолет со своими уникальными параметрами.
Если спектральная интенсивность вторичного излучения измеряется достаточно просто, то измерение его фазы является гораздо более сложной проблемой, которая не по силам традиционным спектрометрам.
Для решения этой проблемы ученые использовали в своих интересах явление под названием фазы Гуи (Gouy phase). Измерение сдвига фазы Гуи квантов света от водорода и дейтерия эквивалентно в данном случае измерению временной задержки, и проведенные эксперименты показали, что это значение достаточно стабильно и равно чуть менее 3 аттосекунд.
Работа австралийских ученых была проверена на "научную чистоту" группой теоретических физиков из Шанхайского университета. Китайские ученые промоделировали все возможные варианты генерации HHG-излучения двух изотопов водорода, принимая во внимание все возможные комбинации движения ядер и электронов.
Полученные результаты моделирования очень хорошо совпадают в экспериментальными данными, и это говорит о том, что в будущем такая технология может быть использована для исследований и измерений сверхбыстрых процессов в атомах и молекулах с беспрецедентной временной разрешающей способностью.