خلاء فشرده روشن، اثرات کوانتمی پنهان را در فیزیک میدان قوی آشکار می‌کند
توسط تِجاسری گوروراج، Phys.org
در یک مطالعهٔ جدید منتشر شده در Nature Physics، پژوهشگران نشان دادند که نور کوانتمی، به‌ویژه خلاء فشرده روشن (BSV)، می‌تواند فوتوالکترونی در میدان قوی را در نوک سوزن‌های فلزی تحریک کند.
علوم آتوثانیه‌ای—مطالعهٔ رفتار الکترون‌ها در بازه‌های زمانی برابر با 10⁻¹⁸ ثانیه—به‌صورت سنتی بر پالس‌های لیزری پرشدتی که معادل «حالات همگن» نور هستند، تکیه داشته است. این پالس‌ها به‌عنوان امواج الکترومغناطیسی کلاسیک با میدان‌های الکتریکی نوسانی پیش‌بینی‌پذیر عمل می‌کنند که الکترون‌ها را به انرژی‌های بالا می‌رانند.
هنگامی که الکترون‌ها تحت این تابش پرشدت از سطوح بازپراکندگی می‌کنند، یک نشانهٔ خاص بُرد در طیف انرژی آن‌ها ایجاد می‌شود که پس از آن یک حد قطع واضح رخ می‌گیرد. این ویژگی‌ها به‌مرور زمان به محور اصلی بررسی ماده با دقت آتوثانیه‌ای تبدیل شده‌اند.
تحقیق جدید بررسی می‌کند که آیا نور به‌طور واقعی کوانتمی، که دارای ویژگی‌های بنیادی متفاوتی نسبت به پالس‌های لیزری کلاسیک است، می‌تواند همان دینامیک‌های میدان قوی را نیز به‌کار گیرد.
“انگیزهٔ ما از جدایی طولانی‌مدت بین فیزیک میدان قوی و اپتیک کوانتمی ناشی شد”، هم‌نویسنده دکتر جوناس هیمرل از دانشگاه فریدریش‑الکساندر ارلنگن‑نورنبرگ (FAU) به Phys.org گفت.
“این دو حوزه به‌صورت سنتی با رژیم‌های نوری به‌طرز چشمگیری متفاوت سروکار دارند—یکی با میدان‌های نور کلاسیک بسیار پرشدت و دیگری با ویژگی‌های کوانتمی نور که عموماً فقط شامل چند فوتون می‌شود. ما از ایدهٔ پل‌زدن این شکاف شیفته شدیم.”
یک پدیدهٔ کوانتمی خلاف‌منطق
بر خلاف لیزر همگن سنتی، BSV نمایانگر حالتی کوانتمی از نور با ویژگی‌های غیرمعمول است.
در پالس‌های لیزری کلاسیک، میدان الکتریکی نوسانی به‌صورت منحنی سینوسی قابل پیش‌بینی و با دامنه‌ای به‌وضوح تعریف‌شده رفتار می‌کند. در مقابل، BSV کاملاً از نوسانات کوانتمی شدید تشکیل شده است که با دو برابر فرکانس حامل نوسان می‌کنند و به‌طور کلی شامل هیچ مؤلفهٔ موج همگنی نیست.
«به‌صورت کلاسیک، اثرات میدان قوی نیازمند یک میدان الکتریکی نوسانی قوی هستند که الکترون‌ها را شتاب می‌دهد»، جاناتان پولث، هم‌نویسنده از FAU توضیح داد.
«با این حال، در BSV میدان متوسط صفر است — به این معنا که به‌طور متوسط نیرویی بر الکترون‌ها اعمال نمی‌شود. بخش خلاف‌منطق این است که نوسانات کوانتمی تقویت‌شده به‌تنهایی، بدون حضور میدان متوسط، برای شتاب دادن الکترون‌ها به انرژی‌های بالا کافی هستند.»
اگرچه میدان متوسط صفر است، BSV همچنان می‌تواند به‌طور بسیار پرشدت باشد، چرا که شدت آن به مربع میدان الکتریکی وابسته است.
در همکاری با آندره راسپوتنی و ماریا چخوا، تیم BSV را با استفاده از تقویت‌کنندهٔ پارامتریک نوری بدون بذر تولید کرد، پالس‌هایی با طول موج مرکزی ۱٬۶۰۰ نم و مدت زمان ۲۵ فمتوثانیه ایجاد کرد. این پالس‌ها نوسانات عظیم تعداد فوتون از شات به شات را نشان دادند که از نزدیک به صفر تا تقریباً ۱۰12 فوتون در هر پالس متغیر بود.
تیم به‌طور خاص BSV را برای آزمون این‌که آیا نور کوانتمی می‌تواند فیزیک میدان قوی را بدون مؤلفهٔ میدان کلاسیک تحریک کند، انتخاب کرد.
تنظیمات آزمایش و روش‌شناسی
برای بررسی این معما، تیم پالس‌های BSV را بر روی نوک سوزن تنگستنی با شعاع تنها چند ده نانومتر متمرکز کرد که داخل محفظهٔ خلا فوق‌العاده بالا قرار داشت. تنگستن به‌دلیل تابع کار مناسب و پایداری‌اش به‌طور گسترده در چنین آزمایش‌هایی استفاده می‌شود.
دستگاه آزمایشی دو شرط بحرانی دارد. نخست، تیزی نانو‌مقیاس نوک، میدان نوری را در نوک متمرکز و تقویت می‌کند و شرایط پرشدتی که برای فوتوالکترونی میدان قوی لازم است، ایجاد می‌گردد. دوم، برای به‌دست آوردن اندازه‌گیری‌های تمیز و قابل تکرار، شرایط خلا فوق‌العاده بالا ضروری است تا از آلودگی سطح نوک جلوگیری شود.
هنگامی که نور کوانتمی به نوک برخورد کرد، الکترون‌ها از طریق فوتوالکترونی غیرخطی آزاد شدند — فرایندی که در آن چندین فوتون باید به‌طور همزمان عمل کنند تا الکترونی را از سطح فلز رها کنند.
پژوهشگران از یک طیف‌سنج الکترونی سفارشی ساخته‌شده استفاده کردند که نه تنها تعداد کل الکترون‌ها، بلکه انرژی هر الکترون منفرد را می‌توانست اندازه‌گیری کند. نکتهٔ کلیدی این بود که شمارش تعداد فوتون برای هر پالس نوری با یک فتودیود همزمان‌سازی شد.
این تشخیص با وضوح شات‑به‑شاف برای تجزیه و تحلیل ضروری بود. برای هر یک از تقریباً ۶۰۰٬۰۰۰ پالس BSV، تیم همزمان تعداد فوتون‌ها و انرژی‌های الکترون‌های آزاد شده را ثبت کرد تا بتواند این دو اندازه‌گیری را به‌صورت شات‑به‑شات همبسته کند.
ظهور الگوهای پنهان
هنگامی که پژوهشگران ابتدا داده‌های خود را با میانگین‌گیری بر روی تعداد زیادی پالس تجزیه کردند، طیف‌های انرژی الکترون‌ها را مشاهده کردند که فراتر از ۶۰ الکترون‌ولت گسترش داشتند و به‌طرز چشمگیری بیش از انرژی‌های پیش‌بینی‌شده برای نور کلاسیک با شدت متوسط مشابه بودند. با این حال، این طیف‌های میانگین‌شده هیچ بُرد واضح یا حد قطع واضحی که ویژگی‌های امضای مورد انتظار هنگام بازپراکندگی الکترون‌ها از سطوح تحت نور پرشدت هستند، نشان ندادند.
تحقق اصلی زمانی رخ داد که آن‌ها داده‌ها را پس‌انتخاب (post‑selection) کردند و طیف‌های الکترونی را بر اساس تعداد فوتون‌های تشخیص‌داده‌شده در هر پالس منفرد طبقه‌بندی کردند.
«در ابتدا، وقتی که ما میانگین‌گیری بر روی تعداد زیادی پالس BSV انجام دادیم، ویژگی بُرد (plateau) مخصوص فیزیک میدان قوی ناپدید شد زیرا نور خلاء فشرده دارای نوسانات شدید تعداد فوتون از پالس به پالس است که منجر به «میانگین‌گیری» و محو ساختار زیرین می‌شود»، دکتر پیتر هومِل‌هوف، استاد فیزیک در FAU توضیح داد.
«برای رفع این مشکل، دریافتیم می‌توانیم طیف‌ها را بر اساس تعداد فوتون هر پالس منفرد پس‌انتخاب کنیم. به این ترتیب، بُرد و حد قطع پنهان را بازگرداندیم.»
برای پالس‌هایی با تعداد فوتون بالاتر، طیف‌های انرژی الکترونی بُرد واضحی نشان دادند که با حد قطع تیز و انرژی‌های به‌خوبی تعریف‌شده خاتمه می‌یابند. این ویژگی‌ها با آنچه در نور همگن کلاسیک مشاهده می‌شود مطابقت داشت و به‌صورت متناسب با تعداد فوتون افزایش یافت — دقیقاً همان‌گونه که از «قانون 10‑Up» که بازپراکندگی در میدان قوی را توصیف می‌کند، انتظار می‌رفت.
از انرژی‌های حد قطع، تیم ضریب تقویت میدان نوری برابر با ۳٫۴±۰٫۶ در نوک سوزن استخراج کرد که با مقادیر به‌دست‌آمده با نور همگن سازگار است.
نتایج نشان می‌دهند که الکترون‌های تحریک‌شده توسط BSV گویی توسط یک مجموعه از پالس‌های نور همگن، هر یک با شدت متفاوت، هدایت می‌شوند.
«اگرچه خلاء فشرده میدان کلاسیک ندارد، حالت کوانتمی آن می‌تواند به‌عنوان ترکیبی (superposition) از مؤلفه‌های متعدد میدان همگن درک شود — هرکدام قادر به شتاب دادن الکترون‌ها همان‌گونه که یک پالس کلاسیک می‌کرد»، دکتر هیمرل توضیح داد. «الکترون‌ها به‌طور مؤثر این مجموعهٔ حالت‌های همگن را نمونه‌گیری می‌کنند.»
شبیه‌سازی‌های کامپیوتری این تفسیر را تأیید کردند، و نتایج آزمایشی را بازتولید کردند زمانی که تیم BSV را به‌عنوان مجموع وزن‌دار از شدت‌های مختلف میدان کلاسیک بر پایه توزیع احتمال حالت کوانتمی مدل‌سازی کرد.
فراتر از نظریه
این کار افق‌های جدیدی را برای بهره‌برداری از الکترون‌های به‌طور شدید هدایت‌شده به‌عنوان حسگرهای نور کوانتمی باز می‌کند.
«الکترون‌های به‌طور شدید هدایت‌شده حساسیت بسیار بالایی به میدان الکتریکی لحظه‌ای نور دارند»، پُلث توضیح داد. «بر خلاف تکنیک‌های شمارش فوتون سنتی، این روش به‌صورت مستقیم اندازه‌گیری می‌کند که نور کوانتمی چگونه می‌تواند ماده را در مقیاس‌های زمانی فوق‌العاده سریع تحت تأثیر قرار دهد و می‌تواند به‌طور بالقوه ویژگی‌های فضایی و زمانی میدان‌های کوانتمی را با دقت آتوثانیه‌ای آشکار سازد.»
این کار پیشرفت‌های قابل توجهی در اپتیک کوانتمی میدان قوی ایجاد می‌کند، حوزه‌ای نوظهور که به‌دنبال درک چگونگی تأثیر ویژگی‌های کوانتمی نور بر تعاملات شدید نور‑ماده است.
«مطالعات آینده می‌توانند بررسی کنند که انواع مختلف نور کوانتمی چگونه بر فرایندهای میدان قوی مانند تولید هارمونیک‌های بالا (high‑harmonic generation) و یونیزاسیون بالاتر از آستانه (above‑threshold ionization) تأثیر می‌گذارند»، هومِل‌هوف افزود.
پژوهشگران اشاره می کردند که افزودن یک میدان نوری کلاسیک دوم به BSV می‌تواند امکان انجام یک توماتوگرافی کامل از حالت کوانتمی را فراهم سازد، به‌طوری که ویژگی‌های خاص کوانتمی بسته به فاز نسبی بین دو میدان برجسته شوند.