Исследователи измеряют фазу и амплитуду сложных электронных волновых функций (a, b), представленных цветом (или оттенком) для фазы и яркостью (или значением) для амплитуды (на графике в логарифмическом масштабе), в значении оттенка-насыщенности (HSV). цветная карта, как показано на (c).
Фото: Хиромити Ниикура из Университета Васэда.

В начале 20 века появилась квантовая механика для описания свойств малых частиц, таких как электроны или атомы. Уравнение Шредингера в квантовой механике может успешно предсказать электронную структуру атомов или молекул. Однако «двойственность» материи, относящаяся к двойственной «частичной» и «волновой» природе электронов, оставалась спорным вопросом. Физики используют сложную волновую функцию для представления волновой природы электрона.

«Комплексные» числа — это те, которые имеют как «действительную», так и «мнимую» части, отношение которых называется «фазой». Однако все непосредственно измеряемые величины должны быть «реальными». Это приводит к следующей проблеме: когда электрон попадает в детектор, «сложная» информация о фазе волновой функции исчезает, остается только записать квадрат амплитуды волновой функции («реальное» значение). Это означает, что электроны регистрируются только как частицы, что затрудняет объяснение их двойственных свойств в атомах.

Последующий век стал свидетелем новой, развивающейся эры физики, а именно аттосекундной физики. Аттосекунда — это очень короткая шкала времени, одна миллиардная миллиардной доли секунды. «Аттосекундная физика открывает способ измерения фазы электронов. Достигая аттосекундного временного разрешения, динамику электронов можно наблюдать во время замораживания молекулярного движения », — объясняет профессор Хиромити Ниикура с факультета прикладной физики Университета Васэда, Япония, который вместе с профессором Д. М. Вильнёв — главный научный сотрудник Объединенной аттосекундной научной лаборатории Национального исследовательского совета и адъюнкт-профессор Оттавского университета — был пионером в области аттосекундной физики.

Ниикура и Вильнев ранее разработали прорывной метод аттосекундного повторного столкновения, а также продемонстрировали визуализацию молекулярной орбитали или электронной волновой функции в молекуле.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review A, эти исследователи использовали другой подход с использованием аттосекундного лазерного импульса или генерации высоких гармоник для визуализации сложной волновой функции. Аттосекундный лазерный импульс состоит из когерентного света с длиной волны, намного меньшей, чем ультрафиолетовое излучение, называемого экстремальным ультрафиолетовым (EUV) светом. Когда этот импульс облучает газ, выбрасывается электрон.

Этот процесс называется фотоионизацией. Аттосекундный импульс состоит из набора «гармоник» или разных цветов света. Контролируя генерацию аттосекундного импульса, исследователи выделили два пути фотоионизации — один, состоящий из определенной гармоники, а другой, состоящий из другой гармоники вместе с инфракрасным импульсом — для ионизации неона. Электронные волновые функции, создаваемые обоими путями, могут интерферировать друг с другом.

Интерференционная картина меняется в зависимости от аттосекундной задержки между гармониками и ИК-импульсами. Команда определила распределение фазы и амплитуды фотоэлектрона по интерференционной картине и визуализировала его сложную волновую функцию. Поскольку энергетическое разрешение меньше ширины полосы аттосекундных импульсов, исследователям удалось визуализировать подробную структуру волновой функции.

Кроме того, исследователи разработали метод разделения измеренной волновой функции на волновые функции, которые создаются отдельными путями ионизации.

Теперь, когда исследователи успешно визуализировали сложную волновую функцию электрона — то, что невозможно увидеть с помощью обычной фотоэлектронной спектроскопии — они могут достичь гораздо большего. Ниикура говорит: «В настоящее время фотоэлектронная спектроскопия с использованием EUV и рентгеновских лучей стала основным инструментом для исследования структуры и динамики материалов. Настоящий метод позволит выяснить квантовые свойства электронов».

Визуализация полной, подробной и сложной электронной волновой функции будет иметь большое значение в области нанотехнологий, химии и молекулярной биологии.