خلاء فشرده روشن، اثرهای کوانتومی مخفی در فیزیک میدان قوی را آشکار می‌کند
توسط Tejasri Gururaj، Phys.org
در یک مطالعه جدید که در Nature Physics منتشر شده است، پژوهشگران نشان دادند که نور کوانتومی، به‌ویژه خلاء فشرده روشن (BSV)، می‌تواند فتوالکتریسیون در میدان قوی را در نوک سوزن‌های فلزی ایجاد کند.
علم آتوثانیه—مطالعه رفتار الکترون‌ها در مقیاس‌های زمانی 10⁻¹⁸ ثانیه—به‌طور سنتی بر پالس‌های لیزری شدید که با «حالات هم‌دست» نور مطابقت دارند، تکیه کرده است. این پالس‌ها به‌عنوان امواج الکترومغناطیسی کلاسیک با میدان‌های الکتریکی پیش‌بینی‌پذیر و نوسانی عمل می‌کنند که الکترون‌ها را به انرژی‌های بالا می‌رانند.
زمانی که الکترون‌ها تحت تابش شدید از سطوح بازپراکندگی می‌کنند، نشانه‌های ویژه‌ای تولید می‌نمایند: یک بخش مسطح در طیف انرژی آنها که پس از آن یک قطع واضح اتفاق می‌افتد. این ویژگی‌ها به‌عنوان ابزار اساسی برای بررسی ماده با دقت آتوثانیه‌ای تبدیل شده‌اند.
این تحقیق جدید بررسی می‌کند که آیا نور کوانتومی واقعی، با ویژگی‌های اساسی متفاوت از پالس‌های لیزری کلاسیک، می‌تواند همچنان این پویایی‌های میدان قوی را تحریک کند.
«انگیزهٔ ما از جدایی دیرینه بین فیزیک میدان قوی و اپتیک کوانتومی ناشی شد»، هم‌نویسنده دکتر جوناس هایمرل از دانشگاه فریدریش-الکساندر ارلانگن-نورنبرگ (FAU) به Phys.org گفت.
«این دو حوزه به‌طور سنتی با رژیم‌های نوری بسیار متفاوتی سروکار دارند—یکی با میدان‌های نوری کلاسیک و فوق‌العاده شدید و دیگری با ویژگی‌های کوانتومی نور که معمولاً فقط شامل چند فوتون می‌شود. ما به ایدهٔ پر کردن این فاصله جذب شدیم.»
پدیدهٔ کوانتومی ضدحسّی
بر خلاف لیزر هم‌دست سنتی، BSV نمایانگر یک حالت کوانتومی نور با ویژگی‌های نامعمول است.
در پالس‌های لیزر کلاسیک، میدان الکتریکی نوسانی یک منحنی سینوسی پیش‌بینی‌پذیر را دنبال می‌کند که دامنهٔ واضحی دارد. در مقابل، BSV کاملاً از نوسانات کوانتومی شدید تشکیل شده است که با دو برابر فرکانس حامل نوسان می‌کنند و هیچ مؤلفهٔ موج هم‌دست ندارند.
«از نظر کلاسیک، اثرات میدان قوی نیازمند یک میدان الکتریکی قوی و نوسانی هستند که الکترون‌ها را شتاب می‌دهد»، جونیاثن پولوت، هم‌نویسنده از FAU، توضیح داد.
«اما در BSV، میدان متوسط صفر است—به این معنی که به‌طور متوسط، نیرویی بر الکترون‌ها وارد نمی‌شود. نکتهٔ ضدحسّی این است که نوسانات کوانتومی تقویت‌شده به‌تنهایی، بدون میدان میانگین، برای شتاب دادن الکترون‌ها به انرژی‌های بالا کافی هستند.»
علیرغم صفر بودن میدان میانگین، BSV می‌تواند همچنان بسیار شدید باشد چون شدت آن به‌مربوط به مربع میدان الکتریکی است.
در همکاری با آندرهی راسپوتنی و ماریا چِخووا، تیم BSV را با استفاده از تقویت‌کنندهٔ پارامتریک نوری بدون بذر (unseeded) تولید کرد و پالس‌هایی با طول موج مرکزی ۱۶۰۰ نانومتر و مدت زمان ۲۵ فمتثانیه ایجاد کرد. این پالس‌ها نوسانات عظیم در تعداد فوتون‌ها از یک پالس به پالس دیگر نشان دادند که از تقریباً صفر تا حدود ۱۰12 فوتون در هر پالس متغیر بود.
تیم به‌طور خاص BSV را برای آزمون این که آیا نور کوانتومی می‌تواند فیزیک میدان قوی را بدون مؤلفهٔ میدان کلاسیک تحریک کند، انتخاب کرد.
نحوهٔ آزمایش و روش‌شناسی
برای بررسی این مسأله، تیم پالس‌های BSV خود را بر نوک سوزن تنگستن با شعاعی تنها چند ده نانومتر متمرکز کرد؛ این نوک درون یک محفظهٔ خلا فوق‌العاده بالا نگهداری می‌شد. تنگستن به‌دلیل تابع کاری مناسب و پایداری‌اش به‌طور گسترده برای چنین آزمایش‌هایی استفاده می‌شود.
نصب آزمایشی دو شرط حیاتی دارد. نخست، تیز بودن نانو‌مقیاس نوک موجب متمرکز و تقویت میدان نوری در رأس آن می‌شود و شرایط شدت‌دار لازم برای فتوالکتریسیون در میدان قوی را فراهم می‌سازد. دوم، برای به‌دست آوردن اندازه‌گیری‌های تمیز و قابل تکرار، شرایط خلا فوق‌العاده بالا الزامی است تا از آلودگی سطح نوک جلوگیری شود.
هنگامی که نور کوانتومی به نوک برخورد کرد، الکترون‌ها از طریق فتوالکتریسیون غیرخطی ساطع شدند؛ فرایندی که در آن چندین فوتون باید به‌طور همزمان عمل کنند تا الکترونی از سطح فلز آزاد شود.
پژوهشگران از یک طیف‌سنج الکترونی سفارشی ساخته استفاده کردند که می‌توانست نه تنها تعداد کل الکترون‌ها، بلکه انرژی هر الکترون جداگانه را نیز اندازه‌گیری کند. نکتهٔ مهم این بود که اندازه‌گیری تعداد فوتون برای هر پالس نوری با استفاده از یک فتو‌دیود همگام‌سازی شد.
این تشخیص به‌صورت شات‌به‌شات برای تحلیل ضروری بود. برای هر یک از حدود ۶۰۰٬۰۰۰ پالس BSV، تیم هم تعداد فوتون‌ها و هم انرژی الکترون‌های ساطره را ثبت کرد تا بتواند این دو اندازه‌گیری را به‌صورت پالس به پالس همبستگی دهد.
ظهور الگوهای پنهان
هنگامی که پژوهشگران برای اولین بار داده‌های خود را با میانگین‌گیری بر روی تعداد زیادی پالس تحلیل کردند، طیف‌های وسیع انرژی الکترون‌ها را مشاهده کردند که فراتر از ۶۰ الکترون‌ولت می‌رفتند و به‌مراتب بیش از انرژی‌های مورد انتظار برای نور کلاسیک با شدت متوسط مشابه بودند. با این حال، این طیف‌های میانگین‌گیری شده هیچ پلتوی واضح یا قطع واضحی نشان نمی‌دادند—ویژگی‌های امضایی که هنگام بازپراکندگی الکترون‌ها از سطوح تحت نور شدید انتظار می‌رود.
پیشرفت هنگامی رخ داد که آنها داده‌های خود را پس‌انتخاب کردند و طیف‌های الکترونی را بر پایهٔ تعداد فوتون‌های تشخیص داده‌شده در هر پالس جداگانه مرتب کردند.
«در ابتدا، هنگامی که ما میانگین‌گیری بر روی تعداد زیادی پالس BSV انجام دادیم، ویژگی خاص پلتوی فیزیک میدان قوی ناپدید شد، زیرا نور خلا فشرده شده نوسانات قوی در تعداد فوتون‌ها از پالس به پالس دارد و منجر به «میانگین‌گیری» و محو شدن ساختار زیرین می‌شود»، دکتر پیتر هملهوف، استاد فیزیک در FAU، توضیح داد.
«برای مقابله با این مشکل، متوجه شدیم که می‌توانیم طیف‌ها را بر پایهٔ تعداد فوتون هر پالس جداگانه پس‌انتخاب کنیم. به این ترتیب، پلتوی پنهان و ویژگی‌های قطع واضح را بازنشانی کردیم.»
برای پالس‌هایی با تعداد فوتون‌های بالاتر، طیف‌های انرژی الکترونی پلتوهای واضحی نشان دادند که با قطع واضحی در انرژی‌های به‌خوبی تعریف‌شده به پایان می‌رسید. این ویژگی‌ها با آنچه در نور هم‌دست کلاسیک مشاهده می‌شود مطابقت داشت و به‌صورت متناسب با تعداد فوتون افزایش یافت—دقیقا همان‌طور که از «قانون 10‑Up» که بازپراکندگی در میدان قوی را توصیف می‌کند، انتظار می‌رود.
از انرژی‌های قطع، تیم فاکتور تقویت میدان نوری ۳٫۴ ± ۰٫۶ را در نوک سوزن استخراج کرد که با مقادیر به‌دست‌آمده با نور هم‌دست سازگار بود.
نتایج نشان می‌دهد که الکترون‌های تحریک‌شده توسط BSV به‌عنوان اگر توسط مجموعه‌ای از پالس‌های نور هم‌دست با شدت‌های متفاوت هدایت می‌شدند، رفتار می‌کنند.
«اگرچه خلا فشرده هیچ میدان کلاسیکی ندارد، حالت کوانتومی آن می‌تواند به‌عنوان ترکیبی از بسیاری از مؤلفه‌های میدان هم‌دست درک شود—که هرکدام قادر به هدایت الکترون‌ها همانند یک پالس کلاسیک هستند»، دکتر هایمرل توضیح داد. «الکترون‌ها به‌صورت مؤثری این مجموعه از حالت‌های هم‌دست را نمونه‌برداری می‌کنند.»
شبیه‌سازی‌های کامپیوتری این تفسیر را تأیید کردند و نتایج آزمایشی را بازآفرینی کردند هنگامی که تیم BSV را به‌عنوان مجموع وزنی‌ای از شدت‌های مختلف میدان کلاسیک بر پایهٔ توزیع احتمالی حالت کوانتومی مدل‌سازی کرد.
فراتر از نظریه
این کار امکانات جدیدی برای استفاده از الکترون‌های به‌صورت قوی هدایت‌شده به‌عنوان حسگرهای نور کوانتومی باز می‌کند.
«الکترون‌های به‌صورت قوی هدایت‌شده حساسیت بسیار بالایی به میدان الکتریکی لحظه‌ای نور دارند»، پولوت توضیح داد. «بر خلاف تکنیک‌های شمارش فوتونی سنتی، این روش به‌صورت مستقیم نشان می‌دهد که نور کوانتومی چگونه می‌تواند بر ماده در زمان‌های فوق‌سریع اثر بگذارد و می‌تواند ویژگی‌های فضایی و زمانی میادین کوانتومی را با دقت آتوثانیه‌ای آشکار کند.»
این کار پیشرفت در حوزهٔ اپتیک کوانتومی میدان قوی، رشته‌ای نوظهور که سعی دارد درک کند که چگونه ویژگی‌های کوانتومی نور بر تعاملات نور‑مادهٔ افراطی اثر می‌گذارد.
«مطالعات آینده می‌توانند بررسی کنند که انواع مختلف نور کوانتومی چگونه بر فرآیندهای میدان قوی مانند تولید هارمونیک‌های مرتفع و یونیزاسیون فراتر از آستانه اثر می‌گذارند»، هملهوف افزود.
پژوهشگران خاطرنشان کردند که افزودن یک میدان نوری کلاسیک دوم به BSV می‌تواند توموگرافی کامل وضعیت کوانتومی را ممکن سازد و ویژگی‌های خاص کوانتومی را بسته به فاز نسبی بین دو میدان برجسته کند.