Ultrabrza kretanja i interakcije elektrona u molekulima i čvrstim telima dugo su bile teško uočljive direktno. Poslednjih godina naučnici su razvili metode za proučavanje ovih kvantnih procesa – poput hemijskih reakcija, konverzije solarne energije i operacija u kvantnom računarstvu – u realnom vremenu, uz izuzetnu preciznost.
Jedna od najnaprednijih tehnika za to je dvodimenziona elektronska spektroskopija (2DES), koja može pratiti dinamiku elektrona sa rezolucijom od samo nekoliko femtosekundi (kvadrilionitih delova sekunde). Međutim, 2DES je izuzetno složen postupak i do sada ga je koristilo samo nekoliko istraživačkih timova širom sveta.
Pojednostavljenje metode 2DES
Sada je nemačko-italijanski istraživački tim, predvođen profesorom dr Kristofom Linauom sa Univerziteta u Oldenburgu, pronašao način da značajno pojednostavi eksperimentalnu postavku. „Nadamo se da će 2DES preći iz domene metodologije za stručnjake u alat koji se može široko koristiti“, objašnjava Linau.
Dvojica doktoranata iz Linauove istraživačke grupe za ultrabrzu nano-optičku fiziku, Danijel Timer i Danijel Lineman, odigrali su ključnu ulogu u ovom proboju. Njihov metod je detaljno opisan u nedavno objavljenom radu u renomiranom časopisu Optica.
Olakšavanje pristupa tehnici 2DES
Tehnika 2DES uključuje upotrebu tri ultrakratka laserska impulsa za pobuđivanje materijala i praćenje njegovog odgovora. Prva dva impulsa su identična i započinju proces pobude elektrona, podižući ih na viši energetski nivo, kao što se dešava u poluprovodnicima ili bojama.
To menja optička svojstva materijala. Treći impuls, poznat kao „sondirajući impuls“, zatim interaguje sa već pobuđenim sistemom, menja se kao rezultat te interakcije i otkriva ključne informacije o stanju sistema.
Vizuelizacija vremenskog niza događaja
Variranjem vremenskih intervala između tri impulsa može se dobiti različit skup informacija o sistemu koji se proučava. Kada se interval između pobudnih impulsa i sondirajućeg impulsa menja, proces se može beležiti u različitim fazama, kao da se gleda film.
Takođe, može se menjati interval između dva pobudna impulsa, što omogućava selektivno pobuđivanje određenih optičkih prelaza u materijalu. To je ključno za proučavanje posebno složenih procesa, poput prenosa energije tokom fotosinteze.
„Eksperimentalna primena tehnike 2DES je veoma izazovna“, ističe Linau. Glavni problem je precizna kontrola vremenskog intervala između prva dva identična laserska impulsa, kao i njihovog oblika, objašnjava on.
Pojednostavljeno rešenje složenog problema
U svom novom istraživanju, Linau i njegov tim opisuju potencijalno rešenje ovog problema. Pristup koji su osmislili doktorandi Timer i Lineman zasniva se na metodi TWINS, koju je pre nekoliko godina uveo italijanski fizičar profesor Đulio Čerulo sa Politehničkog univerziteta u Milanu.
Čerulo, koji je takođe koautor trenutne studije, razvio je uređaj nazvan interferometar, koji koristi birefrigentne kristale za stvaranje dve identične kopije ulaznog impulsa. Ovi impulsi se zatim koriste za pobuđivanje proučavanog materijala. Iako je ova metoda znatno lakša za implementaciju od drugih rešenja za generisanje impulsa, ona ima određena ograničenja.
„Ova procedura do sada nije dostigla punu funkcionalnost multidimenzionalnog elektronskog spektrometra“, kaže Linau. Stručnjaci u ovoj oblasti su smatrali da tehnika koju je razvio Čerulo ne može postići taj nivo funkcionalnosti, dodaje on.
Precizna kontrola kroz jednostavno poboljšanje
Međutim, Timer i Lineman su došli na ideju da dodaju jedan optički element Čerulovom interferometru – takozvanu četvrtotalasnu ploču sa vremenskim kašnjenjem, koja odlaže svaki svetlosni signal koji prolazi kroz nju za unapred određeni deo talasne dužine.
Zahvaljujući ovom relativno jednostavnom dodatku, dvojica istraživača su uspeli da kontrolišu dva laserska impulsa znatno preciznije nego što je to bilo moguće sa originalnim TWINS interferometrom.
Eksperimentalni uspeh i novi patent
Istraživači su sproveli eksperimente kako bi testirali svoju ideju i demonstrirali poboljšane mogućnosti ove metode istražujući dinamiku naelektrisanja u organskoj boji. Tim je takođe pružio teorijsko objašnjenje nove metode. Timer, Lineman i Linau sada su dobili patent za prošireni interferometrijski postupak.
