콘스탄츠 대학의 과학자들은 펨토초 플래시를 사용하여 약 5아토초 동안 지속되는 전자 펄스를 생성하는 방법을 개발했습니다. 이 획기적인 발전은 광파보다 더 높은 시간 분해능을 제공하여 핵반응과 같은 초고속 현상을 관찰할 수 있는 길을 열었습니다. 이것은 또한 물리학자들이 생성한 가장 짧은 신호 중 하나입니다.
자연의 분자 또는 고체 과정은 때때로 펨토초(40억분의 1초) 또는 아토초(50억분의 1초)만큼 짧은 시간 척도에서 발생할 수 있습니다. 핵 반응은 훨씬 더 빠릅니다. 이제 콘스탄츠 대학의 과학자 Maxim Tsarev, Johannes Thurner 및 Peter Baum은 아토초 지속 시간, 즉 10억분의 1나노초의 신호를 얻기 위해 새로운 실험 장치를 사용하여 초고속 현상 분야에 새로운 전망을 열고 있습니다.
단일 진동이 너무 오래 걸리기 때문에 광파조차도 이러한 시간 분해능을 얻을 수 없습니다. 전자는 시간적 해상도를 크게 향상시킬 수 있는 치료법입니다. 실험 설정에서 Konstanz 연구원은 레이저에서 나오는 한 쌍의 펨토초 플래시를 사용하여 자유 공간 빔에서 매우 짧은 전자 펄스를 생성했습니다. 이번 연구 결과는 네이처 피직스(Nature Physics) 저널에 게재됐다.
과학자들은 이를 어떻게 수행하나요?
물파와 마찬가지로 광파도 중첩되어 정상파 또는 진행파의 마루와 골을 만들 수 있습니다. 물리학자들은 진공 속에서 광속의 절반으로 이동하는 공명 전자가 정확히 같은 속도로 이동하는 광파의 최고점과 최저점과 겹치도록 입사각과 주파수를 선택했습니다. 소위 "사고 모멘텀"은 전자를 다음 파동 골 방향으로 밀어냅니다. 따라서 짧은 상호 작용 후에 일련의 극도로 짧은 전자 펄스가 생성됩니다. 특히 전기장이 매우 강한 펄스 시퀀스 중간에 생성됩니다.
짧은 시간 동안 전자 펄스는 약 5아토초 정도만 지속됩니다. 이 과정을 이해하기 위해 연구진은 압축 후 전자의 속도 분포를 측정했습니다. 물리학자 Johannes Tourner는 다음과 같이 설명합니다. "출력 펄스의 속도는 그다지 균일하지 않지만 매우 넓은 분포를 가지고 있습니다. 이는 압축 과정 중 일부 전자의 강한 감속 또는 가속의 결과입니다. 더욱이 이 분포는 매끄럽지 않습니다. 대신, 한 번에 정수 쌍의 가벼운 입자만 전자와 상호 작용할 수 있기 때문에 이는 수천 개의 속도 단계로 구성됩니다."
연구의 의의
과학자들은 이것이 양자역학적 관점에서 서로 다른 시간에 동일한 가속도를 경험한 후 전자 자신과의 시간 중첩(간섭)이라고 말했습니다. 이 효과는 전자와 빛의 상호 작용과 같은 양자 역학 실험과 관련이 있습니다.
또한 광선과 같은 평면 전자기파는 질량이 큰 전자와 정지 질량이 0인 빛 입자(광자)의 총 에너지와 총 운동량이 일정하게 유지될 수 없기 때문에 일반적으로 진공에서 전자의 영구적인 속도 변화를 유도할 수 없다는 점도 주목할 만합니다. 그러나 이 문제는 빛의 속도보다 느린 파동에 두 개의 광자가 동시에 존재함으로써 해결될 수 있습니다(Capizza-Dirac 효과).
콘스탄츠 대학교 물리학과 교수이자 빛과 물질 그룹의 책임자인 Peter Baum의 경우, 이러한 결과는 여전히 기초 연구이지만 향후 연구에 대한 엄청난 잠재력을 강조합니다. "재료가 서로 다른 시간 간격에서 두 개의 짧은 펄스에 의해 충격을 받으면 첫 번째 펄스는 변화를 유도할 수 있고 두 번째 펄스는 관찰에 사용될 수 있습니다. 이는 카메라 플래시와 유사합니다."
그는 실험 원리에 어떤 물질도 개입하지 않고 모든 것이 자유 공간에서 진행된다는 것이 가장 큰 장점이라고 믿습니다. 원칙적으로, 미래에는 어떤 출력의 레이저라도 더 강력한 압축을 위해 사용될 수 있습니다. Baum은 "우리의 새로운 2광자 압착 기술을 사용하면 새로운 차원의 시간을 입력하고 핵 반응 과정을 영상화할 수 있습니다."라고 말했습니다.