Forscher schlagen einen neuartigen Weg vor, um eine Lichtquelle aus verschränkten Photonen zu erzeugen

Verschränkung ist ein seltsames Phänomen in der Quantenphysik, bei dem zwei Teilchen unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen inhärent miteinander verbunden sind. Wenn das eine gemessen wird, ist das andere Maß sofort gegeben. Forscher der Purdue University haben einen neuartigen, unkonventionellen Ansatz vorgeschlagen, um eine spezielle Lichtquelle aus verschränkten Photonen zu erzeugen. Am 6. September 2022 veröffentlichten sie ihre Ergebnisse in Physikalische Überprüfungsforschung.

Das Team schlug eine Methode vor, um verschränkte Photonen bei Wellenlängen im extremen Ultraviolett (XUV) zu erzeugen, wo derzeit keine solche Quelle existiert. Ihre Arbeit liefert einen Fahrplan, wie diese verschränkten Photonen erzeugt und verwendet werden können, um die Dynamik von Elektronen in Molekülen und Materialien auf den unglaublich kurzen Zeitskalen von Attosekunden zu verfolgen.

„Die verschränkten Photonen in unserer Arbeit kommen garantiert innerhalb einer sehr kurzen Dauer von Attosekunden an einem bestimmten Ort an, solange sie die gleiche Entfernung zurücklegen“, sagt Dr. Niranjan Shivaram, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie. „Diese Korrelation in ihrer Ankunftszeit macht sie sehr nützlich, um ultraschnelle Ereignisse zu messen. Eine wichtige Anwendung ist die Attosekunden-Metrologie, um die Grenzen der Messung von Phänomenen auf der kürzesten Zeitskala zu erweitern. Diese Quelle verschränkter Photonen kann auch in der Quantenbildgebung und -spektroskopie verwendet werden , wo gezeigt wurde, dass verschränkte Photonen die Fähigkeit verbessern, Informationen zu gewinnen, aber jetzt bei XUV- und sogar Röntgenwellenlängen.

Die Autoren der Veröffentlichung mit dem Titel „Attosecond verschränkte Photonen aus zwei Photonenzerfällen metastabiler Atome: Eine Quelle für Attosekundenexperimente und darüber hinaus“ stammen alle vom Fachbereich Physik und Astronomie der Purdue University und arbeiten mit dem Purdue Quantum Science and Engineering Institute zusammen (PQSEI). Sie sind Dr. Yimeng Wang, frischgebackener Absolvent der Purdue University; Siddhant Pandey, Ph.D. Kandidat auf dem Gebiet der experimentellen Ultrakurzzeit-Spektroskopie; Dr. Chris H. Greene, Albert Overhauser Distinguished Professor für Physik und Astronomie; und Dr. Shivaram.

„Das Department of Physics and Astronomy in Purdue hat ein starkes Programm für Atom-, Molekül- und optische (AMO) Physik, das Experten aus verschiedenen Teilbereichen der AMO zusammenbringt“, sagt Shivaram. „Das Expertenwissen von Chris Greene in der theoretischen Atomphysik in Kombination mit Niranjans Hintergrund auf dem relativ jungen Gebiet der experimentellen Attosekundenwissenschaft führte zu diesem Gemeinschaftsprojekt. Während viele Universitäten AMO-Programme haben, ist das AMO-Programm von Purdue insofern einzigartig vielfältig, als es Experten in mehreren Teilbereichen von hat AMO-Wissenschaft.“

Jeder Forscher spielte eine bedeutende Rolle in dieser laufenden Forschung. Greene schlug zunächst die Idee vor, von Heliumatomen emittierte Photonen als Quelle für verschränkte Photonen zu verwenden, und Shivaram schlug Anwendungen in der Attosekundenwissenschaft vor und schlug experimentelle Schemata vor. Wang und Greene entwickelten dann den theoretischen Rahmen zur Berechnung der Emission verschränkter Photonen von Heliumatomen, während Pandey und Shivaram Schätzungen der Emissions-/Absorptionsraten verschränkter Photonen vornahmen und die Details der vorgeschlagenen Attosekunden-Experimentalschemata ausarbeiteten.

Die Veröffentlichung markiert den Beginn dieser Forschung für Shivaram und Greene. In dieser Veröffentlichung schlagen die Autoren die Idee vor und arbeiten die theoretischen Aspekte des Experiments aus. Shivaram und Greene planen, weiterhin an experimentellen und weiteren theoretischen Ideen zusammenzuarbeiten. Shivarams Labor, die Ultrafast Quantum Dynamics Group, baut derzeit einen Apparat, um einige dieser Ideen experimentell zu demonstrieren. Laut Shivaram besteht die Hoffnung, dass andere Forscher in der Attosekundenwissenschaft mit der Arbeit an diesen Ideen beginnen. Eine konzertierte Anstrengung vieler Forschungsgruppen könnte die Wirkung dieser Arbeit weiter steigern. Letztendlich hoffen sie, die Zeitskala verschränkter Photonen auf die Zeptosekunde, 10-21 Sekunden, zu bringen.

„Typischerweise werden Experimente auf Attosekunden-Zeitskalen mit Attosekunden-Laserpulsen als ‚Blitzlichter‘ durchgeführt, um die Elektronen ‚abzubilden‘. Die aktuellen Grenzen für diese Pulse liegen bei etwa 40 Attosekunden Zeptosekunden“, sagt Shivaram.

Um das Timing zu verstehen, muss man verstehen, dass Elektronen eine grundlegende Rolle bei der Bestimmung des Verhaltens von Atomen, Molekülen und festen Materialien spielen. Die Zeitskala der Bewegung von Elektronen liegt typischerweise im Bereich von Femtosekunden (ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde – 10–15 Sekunden) und Attosekunden (ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde oder 10–18 Sekunden). Laut Shivaram ist es unerlässlich, Einblicke in die Dynamik von Elektronen zu gewinnen und ihre Bewegung auf diesen ultrakurzen Zeitskalen zu verfolgen.

„Das Ziel der ultraschnellen Wissenschaft ist es, solche ‚Filme‘ von Elektronen zu machen und dann Licht zu verwenden, um das Verhalten dieser Elektronen zu steuern, um chemische Reaktionen zu steuern, Materialien mit neuartigen Eigenschaften herzustellen, Geräte im molekularen Maßstab herzustellen usw.“, er sagt. „Dies ist Licht-Materie-Wechselwirkung auf ihrer grundlegendsten Ebene, und es gibt viele Möglichkeiten für Entdeckungen. Eine einzelne Zeptosekunde dauert 10 bis 21 Sekunden. Tausend Zeptosekunden sind eine Attosekunde aufgrund des Fehlens von Zeptosekunden-Laserpulsen experimentell unerreichbar.Unser einzigartiger Ansatz, verschränkte Photonen anstelle von Photonen in Laserpulsen zu verwenden, könnte es uns ermöglichen, das Zeptosekunden-Regime zu erreichen.Dies erfordert erheblichen experimentellen Aufwand und ist wahrscheinlich auf der Zeitskala von fünf Jahren möglich .“