Atomer absorberar energi på oväntat sätt
Ett överraskande beteende hos atomer ger forskare nya insikter i ett av de mest grundläggande fenomenen i naturen: absorption av ljus. Ett nytt fysikaliskt fenomen för ljuspulser har upptäckts. Studien har genomförts av forskare vid Lunds universitet och publiceras i ansedda Physical Review Letters.
– Publicerad den 2 September 2024
I atomernas värld gäller inte naturlagarna såsom vi känner till dem. Där råder i stället kvantfysikens lagar. Dessa må vara enkla i sin matematiska struktur, men de leder till minst sagt svårbegripliga fenomen. Å ena sidan förklarar de hur en enskild partikel kan befinna sig på flera platser samtidigt och hur den kan ha egenskaper som liknar en våg. Å andra sidan förklarar de att ljus inte bara är vågor utan också kan ses som små enskilda bitar av energi (så kallade ”fotoner”).
Att kunna blicka in i och förstå mikrokosmos är fascinerande på grund av denna ständiga dualism mellan partiklar och vågor. De kvantfysiskaliska fenomen som studeras kan sedan inkluderas i ny teknologi i framtida tillämpningar. Det kan handla om att göra redan små elektriska komponenter ännu mindre (för att öka deras effektivitet), eller om att skapa helt nya komponenter för kvantdatorer.
Att studera hur korta ljuspulser växelverkar med atomer är en väl etablerad väg in i atomernas värld. I en ny studie har doktoranden i matematisk fysik, Axel Stenquist, betraktat hur intensiva laserpulser absorberas av atomer. Forskningen har han gjorts tillsammans med sin handledare docent Marcus Dahlström och ett antal kollegor vid samma avdelning samt forskare vid Madrids Autónoma universitet och Huazhong universitet i Kina.
Korta ljuspulser kan inte bara användas för att observera elektroners rörelser, såsom gjorts med hjälp av attosekundspulser (av bland annat Anne L’Huillier, 2023 års Nobelprisvinnare i fysik från Lunds universitet), utan också för att styra elektronernas rörelser inom atomer och molekyler.
Axel Stenquists teoretiska arbete bygger på av en ny typ av ljuspuls som alstras av en kilometerlång frielektronlaser. Denna typ av laser möjliggör högre intensitet och kortare våglängd än traditionella laserkällor, vilket ger en unik inblick i kvantmekanikens värld.
– Absorption av ljus i en atom sker vanligtvis bara vid den våglängd som får atomen i resonans. Enligt Bohrs atommodell, absorberas endast de fotoner som har ”rätt” energi för att kunna föra atomen från ett kvantmekaniskt tillstånd till ett annat.
Vad har de då upptäckt? Laserpulser kan vara mjuka eller mer kantiga till formen. Studien visar att laserpulsens form leder till att energin som sugs upp från ljuset kan förändras markant. Forskarna kunde se att atomen inte bara absorberar ljus med ”rätt” energi (övergången mellan dess atomära tillstånd), utan också vid både högre och lägre energier. Effekten beror både på laserpulsens form och dess styrka.
– Vanligtvis tänker man att atomen går från ett tillstånd till ett annat och att energin som absorberas är identiskt med övergången. Men så enkelt är det inte när ljusets intensitet är hög. När atomen och laserpulserna växelverkar kan man säga att atomen blir klädd av ljus, vilket förändrar deras kvantmekaniska tillstånd och en ny bild uppträder, säger Axel Stenquist.
En atom är redan kvantmekanisk till sin natur, men när starka laserpulser kopplar till atomen går de samman och skapar ett nytt slags kvantmekaniskt tillstånd (som består av sammanflätade partiklar och fotoner). Denna process är anledningen till att absorptionen av ljuset inte kan förklaras av den enskilda atomen, utan istället av atomen som samtidigt förändras av ljuset själv.
Enligt Axel Stenquist delas och separeras energitillstånden av en energi som beror på ljusets styrka. Detta fenomen med klädda atomer introducerades av den franska fysiken Claude Cohen-Tannoudji (Nobelpristagare i Fysik 1997), men dess roll för korta laserpulser är ett ämne som engagerar forskare välden över ännu i dag. Enligt beräkningarna i Axel Stenquists arbete kan det skapas tre olika övergångar mellan energitillstånden, i stället för en, som man förväntar sig från Bohrs atommodell.
Denna upptäckt har paralleller till den tidigare upptäckta så kallade “Mollow-tripleten” i emission av ljus. Det finns både anmärkningsvärda likheter och skarpa skillnader mellan dessa fenomen.
Fysikerna hoppas att deras upptäckt av hur atomer och ljus växelverkar ska leda till framtida experiment med frielektronlasrar med speciellt fokus på fotonernas roll för atomens dynamik.
Arbetet utgör en del i Marcus Dahlströms pågående Wallenberg Academy Fellow (WAF) program
Artikeln i Physcial Review Letters
Tidigare studie: Paralleller finns till ett arbete som samma forskare publicerade i våras, där så kallad kvantsammanflätning ändrar elektroners rörelseenergi, till skillnad från detta nya arbete som visar hur liknande ljuspulser ändrar absorption av energi.
Axel Stenquist förklarar: ”Atomen utan ljus visas i övre delen av bilden, den har två energitillstånd och som förväntat har övergången mellan dessa bara en energi, därav kan bara denna energi absorberas. Men om atomen befinner sig i ett starkt ljus så blir den uppklädd av ljuset. Detta visas i undre delen av bilden. Den klädda atomen har andra energitillstånd. Dess tillstånd har delats i två skilda tillstånd som är separerade av energin Ω som beror på ljusets styrka. De fyra möjliga övergångarna är illustrerade med pilar. Eftersom två av dessa har samma energi (de gröna pilarna) så har absorptionen tre olika energier. Dessa visas i rött som har lägre energi, grönt som har samma energi som atomen utan ljus, och blått som har högre energi. Eftersom det finns två gröna övergångar så absorberas dubbelt så mycket ljus vid denna energi.”