0.0000000000000000005초 – 물리학자들은 인간이 생성한 신호 중 가장 짧은 신호 중 하나를 생성합니다.

콘스탄츠 대학(University of Konstanz)의 과학자들은 펨토초 빛의 섬광을 사용하여 약 5아토초 지속 시간의 전자 펄스를 생성하는 방법을 개발했습니다. 광파보다 더 높은 시간 분해능을 제공하는 이 성과는 핵반응과 같은 초고속 현상을 관찰할 수 있는 길을 열었습니다.

콘스탄츠 대학(University of Konstanz)의 물리학자들은 인간이 생성한 신호 중 가장 짧은 신호 중 하나를 생성했습니다.

자연의 분자 또는 고체 상태 프로세스는 때때로 펨토초(1000분의 1초) 또는 아토초(100분의 1초)만큼 짧은 시간 프레임에서 발생할 수 있습니다. 핵 반응이 더 빠릅니다. 이제 콘스탄츠 대학의 과학자인 Maxim Tsarev, Johannes Thurner 및 Peter Baum은 새로운 실험 설정을 사용하여 아토초, 즉 수십억분의 1나노초의 지속 시간으로 신호를 달성하여 초고속 현상 분야에 새로운 지평을 열었습니다.

단일 진동이 그렇게 하는 데 너무 오랜 시간이 걸리기 때문에 광파조차도 그러한 시간 분해능을 달성할 수 없습니다. 전자는 훨씬 더 높은 시간적 해상도를 허용하기 때문에 여기서 치료법을 제공합니다. 실험 설정에서 Konstanz 연구원은 레이저에서 나오는 펨토초 빛 섬광 쌍을 사용하여 자유 공간 빔에서 매우 짧은 전자 펄스를 생성했습니다. 결과는 저널에 게재됩니다. 자연 물리학.

과학자들은 이에 대해 어떻게 생각했나요?

물결파와 마찬가지로 광파도 겹쳐서 정지파 또는 진행파의 마루와 골을 형성할 수 있습니다. 물리학자들은 빛의 절반 속도로 진공을 통과하는 전파에 관여하는 전자가 정확히 같은 속도로 광파의 최고점과 최저점과 겹치도록 입사각과 주파수를 선택했습니다.

깊은 추진력으로 알려진 것은 전자를 다음 파동의 최저점으로 밀어냅니다. 따라서 짧은 상호 작용 후에 매우 짧은 시간 동안 일련의 전자 펄스가 생성됩니다. 특히 전기장이 매우 강한 펄스열 중간에서 생성됩니다.

짧은 시간 동안 전자 펄스의 지속 시간은 약 5아토초에 불과합니다. 연구진은 이 과정을 이해하기 위해 압축 후 남은 전자의 속도 분포를 측정했다. 물리학자 Johannes Thurner는 “출력 펄스의 매우 균일한 속도 대신 압축 중 일부 전자의 강한 감속 또는 가속으로 인해 매우 넓은 분포를 볼 수 있습니다.”라고 설명합니다. “그러나 그뿐만 아니라 분포가 매끄럽지 않습니다. 대신에 한 번에 정수 쌍의 빛 입자만이 전자와 상호 작용할 수 있기 때문에 수천 개의 속도 단계로 구성됩니다.

연구의 중요성

과학자는 양자역학이 서로 다른 시간에 동일한 가속을 경험한 후 전자 자신과의 시간 중첩(겹침)이라고 말합니다. 이 효과는 전자와 빛의 상호 작용과 같은 양자 역학 실험과 관련이 있습니다.

또한 놀라운 점은 광선과 같은 평면 전자기파는 일반적으로 진공에서 전자 속도의 영구적인 변화를 일으킬 수 없다는 것입니다. 왜냐하면 거대한 전자와 가벼운 입자의 총 에너지와 총 운동량은 질량이 0이기 때문입니다(광자)을 저장할 수 없습니다. 그러나 빛의 속도보다 느린 속도로 이동하는 파동에 두 개의 광자가 동시에 존재하면 이 문제가 해결됩니다(Kapitza-Dirac 효과).

콘스탄츠 대학의 물리학 교수이자 빛과 물질 그룹의 책임자인 피터 바움(Peter Baum)은 이러한 결과가 여전히 기초 연구에 불과하지만 향후 연구를 위한 큰 잠재력을 강조합니다. “물질이 우리의 짧은 펄스 두 개와 충돌하면 가변 시간 간격으로 첫 번째 펄스가 트리거될 수 있습니다. 두 번째 펄스를 변경하려면 카메라 플래시와 유사하게 감시에 사용할 수 있습니다.

그의 관점에서 볼 때, 경험적 원리에 관여하는 물질이 없으며, 모든 것이 자유 공간에서 일어난다는 것이 가장 큰 장점이다. 원칙적으로 미래에는 어떤 출력의 레이저라도 더 강한 압력을 얻는 데 사용될 수 있습니다. “우리의 새로운 광자 압력을 통해 우리는 새로운 차원의 시간으로 이동할 수 있으며 아마도 핵반응을 이미지화할 수도 있습니다.”라고 Baum은 말합니다.

참조: Maxim Tsarev, Johannes W. Thurner 및 Peter Baum의 “자유 전자 물질 파동의 비선형 광학 양자 제어”, 2023년 6월 12일, 자연 물리학.
도이: 10.1038/s41567-023-02092-6