Исследователи из Уппсальского университета разработали новый способ измерения времени, который не требует знания начальной точки, или «нулевого момента времени», как это делают обычные часы. Вместо измерения с точного момента начала события, метод основан на изучении того, как атомы гелия изменяются со временем после воздействия на них короткими импульсами света. Этот подход может быть полезен в экспериментах, где трудно или даже невозможно определить, когда на самом деле начался изучаемый процесс.
Метод использует атомы гелия, которые с помощью коротких световых импульсов переводятся в так называемые суперпозиции ридберговских состояний. Ридберговские состояния — это сильно возбужденные атомные состояния, в которых электрон поглотил достаточно энергии, чтобы переместиться далеко от ядра атома, что делает атом особенно чувствительным к окружающей среде. Суперпозиция означает, что атом одновременно существует в комбинации нескольких квантовых состояний, что позволяет исследователям изучать, как эти состояния развиваются совместно. Вместо измерения с момента создания этих состояний исследователи изучают вероятность ионизации атомов вторым световым импульсом. Ионизация — это процесс удаления одного или нескольких электронов из атома, превращающий его в заряженную частицу, называемую ионом. Сравнивая эти результаты с теоретическими моделями, они могут определить, сколько времени прошло с момента формирования ридберговских состояний.
«Это можно сравнить с тем, как вы смотрите на рулетку и видите, как далеко вы находитесь от начала. Неважно, 5 сантиметров это или 4000 метров, мы смогли показать, что можно посмотреть на вероятность того, что эти ридберговские состояния могут быть ионизированы другим световым импульсом. И изучая лишь короткий промежуток времени, мы можем, сравнивая с теоретическими моделями, напрямую считать, сколько времени прошло с момента создания ридберговских состояний», — говорит Юхан Сёдерстрём, руководитель исследовательской группы в Отделе науки о рентгеновских фотонах Департамента физики и астрономии.
Исследователи утверждают, что изменяющиеся ридберговские состояния создают уникальный узор, или «отпечаток пальца», по мере течения времени. Этот узор возникает из эволюции атомного волнового пакета, который представляет собой группу перекрывающихся квантовых состояний, изменяющихся совместно во времени. Считывая этот отпечаток, они могут определить, сколько времени прошло с момента создания волнового пакета. В отличие от обычных часов, которые отсчитывают время от фиксированной начальной точки, этот метод определяет прошедшее время непосредственно по текущему состоянию атомов. По словам исследователей, отпечаток также предоставляет встроенный способ подтвердить правильность измеренного времени.
Исследование сочетало теоретическое моделирование с экспериментами по времяразрешенной фотоэлектронной спектроскопии — технике, использующей два точно синхронизированных световых импульса. Первый импульс возбуждает атомы, а второй удаляет из них электроны, чтобы исследователи могли наблюдать, как атомы изменились за чрезвычайно короткие промежутки времени. Экспериментальные результаты тесно соответствовали теоретическим предсказаниям. Исследователи также обнаружили, что изменяющееся поведение атомных состояний можно использовать для изучения свойств атомов гелия, известных как квантовые дефекты. Это небольшие различия между ожидаемой и фактической энергией ридберговских состояний, которые помогают ученым лучше понять атомную структуру.
Чтобы объяснить эту идею, исследователи сравнивают ее с чтением измерительной ленты. Вам не нужно наблюдать, как кто-то начинает измерение, чтобы узнать расстояние. Достаточно посмотреть на текущее положение на ленте, чтобы понять, как далеко оно от начальной точки. Точно так же их метод не требует наблюдения «нулевого момента времени», чтобы определить, сколько времени прошло.
Команда также обнаружила, что количество необходимых данных зависит от того, сколько времени прошло. Короткие периоды наблюдения достаточны для событий, произошедших недавно, в то время как для измерения событий, более удаленных от неизвестной начальной точки, требуются более длительные периоды. Исследователи сравнивают это с использованием измерительной ленты, где запись расстояния в 4 миллиметра требует лишь небольшого участка, в то время как измерение 500 миллиметров требует гораздо более длинного участка.
Значительная часть исследований проводилась во время пандемии COVID-19. Поскольку многие подразделения Уппсальского университета были временно закрыты, исследователи смогли провести продолжительное время в лаборатории HELIOS в Ангстрёмской лаборатории в Уппсале, где они тестировали экспериментальный подход.
В настоящее время команда планирует дальнейшие теоретические исследования с участием молекулярных систем. Они хотят выяснить, можно ли использовать этот метод для изучения того, как распадаются молекулы и как этот процесс влияет на ридберговские состояния. В случае успеха эту технику можно будет применить к более широкому кругу физических систем.
Исследователи заявляют, что метод не предназначен для замены обычных часов. Вместо этого он может стать полезным инструментом для pump-probe spectroscopy — техники, которая использует один импульс света для запуска процесса и второй импульс для наблюдения за его изменением во времени. Это позволяет ученым изучать физические и химические процессы, происходящие чрезвычайно быстро. В таких экспериментах определение точного времени начала часто затруднено. Новый подход может предоставить абсолютную временную метку без необходимости сначала находить нулевой момент времени, полностью полагаясь на квантово-механическое поведение, а не на механизм счета.
Полученные результаты предлагают новый способ измерения прошедшего времени в экспериментах, где начальная точка не может быть непосредственно наблюдаема. Хотя метод не подойдет для каждого типа измерения времени, исследователи считают, что он может обеспечить высокоточное решение в ситуациях, когда существующие методы трудно или невозможно использовать.
Источник: Uppsala University, APS
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях информирования. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать закон.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
