Ултрабрза кретања и интеракције електрона у молекулима и чврстим телима дуго су биле тешко уочљиве директно. Последњих година научници су развили методе за проучавање ових квантних процеса – попут хемијских реакција, конверзије соларне енергије и операција у квантном рачунарству – у реалном времену, уз изузетну прецизност.
Једна од најнапреднијих техника за то је дводимензиона електронска спектроскопија (2DES), која може пратити динамику електрона са резолуцијом од само неколико фемтосекунди (квадрилионитих делова секунде). Међутим, 2DES је изузетно сложен поступак и до сада га је користило само неколико истраживачких тимова широм света.
Поједностављење методе 2DES
Сада је немачко-италијански истраживачки тим, предвођен професором др Кристофом Линауом са Универзитета у Олденбургу, пронашао начин да значајно поједностави експерименталну поставку. „Надамо се да ће 2DES прећи из домене методологије за стручњаке у алат који се може широко користити“, објашњава Линау.
Двојица доктораната из Линауове истраживачке групе за ултрабрзу нано-оптичку физику, Данијел Тимер и Данијел Линеман, одиграли су кључну улогу у овом пробоју. Њихов метод је детаљно описан у недавно објављеном раду у реномираном часопису Optica.
Олакшавање приступа техници 2DES
Техника 2DES укључује употребу три ултракратка ласерска импулса за побуђивање материјала и праћење његовог одговора. Прва два импулса су идентична и започињу процес побуде електрона, подижући их на виши енергетски ниво, као што се дешава у полупроводницима или бојама.
То мења оптичка својства материјала. Трећи импулс, познат као „сондирајући импулс“, затим интерагује са већ побуђеним системом, мења се као резултат те интеракције и открива кључне информације о стању система.
Визуелизација временског низа догађаја
Варирањем временских интервала између три импулса може се добити различит скуп информација о систему који се проучава. Када се интервал између побудних импулса и сондирајућег импулса мења, процес се може бележити у различитим фазама, као да се гледа филм.
Такође, може се мењати интервал између два побудна импулса, што омогућава селективно побуђивање одређених оптичких прелаза у материјалу. То је кључно за проучавање посебно сложених процеса, попут преноса енергије током фотосинтезе.
„Експериментална примена технике 2DES је веома изазовна“, истиче Линау. Главни проблем је прецизна контрола временског интервала између прва два идентична ласерска импулса, као и њиховог облика, објашњава он.
Поједностављено решење сложеног проблема
У свом новом истраживању, Линау и његов тим описују потенцијално решење овог проблема. Приступ који су осмислили докторанди Тимер и Линеман заснива се на методи TWINS, коју је пре неколико година увео италијански физичар професор Ђулио Черуло са Политехничког универзитета у Милану.
Черуло, који је такође коаутор тренутне студије, развио је уређај назван интерферометар, који користи бирефригентне кристале за стварање две идентичне копије улазног импулса. Ови импулси се затим користе за побуђивање проучаваног материјала. Иако је ова метода знатно лакша за имплементацију од других решења за генерисање импулса, она има одређена ограничења.
„Ова процедура до сада није достигла пуну функционалност мултидимензионалног електронског спектрометра“, каже Линау. Стручњаци у овој области су сматрали да техника коју је развио Черуло не може постићи тај ниво функционалности, додаје он.
Прецизна контрола кроз једноставно побољшање
Међутим, Тимер и Линеман су дошли на идеју да додају један оптички елемент Черуловом интерферометру – такозвану четвртоталасну плочу са временским кашњењем, која одлаже сваки светлосни сигнал који пролази кроз њу за унапред одређени део таласне дужине.
Захваљујући овом релативно једноставном додатку, двојица истраживача су успели да контролишу два ласерска импулса знатно прецизније него што је то било могуће са оригиналним TWINS интерферометром.
Експериментални успех и нови патент
Истраживачи су спровели експерименте како би тестирали своју идеју и демонстрирали побољшане могућности ове методе истражујући динамику наелектрисања у органској боји. Тим је такође пружио теоријско објашњење нове методе. Тимер, Линеман и Линау сада су добили патент за проширени интерферометријски поступак.
