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Medición de tiempos en mil millonésimas de milmillonésima de segundo – Griffith News

¿Qué tan rápido se mueven los electrones dentro de la molécula? Bueno, es tan rápido que solo toma unos pocos attosegundos (1 = 10-18 segundos o una mil millonésima de mil millonésima de segundo) para saltar de un átomo a otro. Parpadea y te lo has perdido, millones de veces. Por lo tanto, medir estos procesos ultrarrápidos es una tarea abrumadora.

Científicos en la Instalación Científica de Attosegundos de Australia Centro de Dinámica Cuántica Dirigido por la Universidad Griffith en Brisbane, Australia Profesor Robert Sang Y el Profesor Igor Litvinnik Desarrollaron una nueva técnica de interferometría capaz de medir los retrasos de tiempo con una precisión de zeptosegundos (una trillonésima de una billonésima de segundo).

Profesor Igor Litvinnik.

Utilizaron esta técnica para medir el tiempo de retraso entre pulsos de luz ultravioleta intensa emitida por dos isótopos diferentes de moléculas de hidrógeno, H2 y D2, que interactúan con pulsos láser infrarrojos intensos.

Se ha encontrado que este retraso es de menos de tres attosegundos (una quinta parte de una millonésima de segundo) y es causado por movimientos ligeramente diferentes de los núcleos más livianos y más pesados.

Este estudio ha sido publicado en ciencia de alta velocidadel nuevo Science Partner Journal.

“Esta resolución temporal sin precedentes se logra a través de la interferometría, que interfiere con las ondas de luz retrasadas y mide su brillo combinado”, dijo la autora principal, la Dra. Mumta Hina Mustari.

Las propias ondas de luz fueron creadas por partículas expuestas a intensos pulsos de láser en un proceso llamado generación de altos armónicos (HHG).

HHG ocurre cuando un campo láser fuerte elimina un electrón de una molécula, acelerado por el mismo campo y luego se recombina con el ion cediendo energía en forma de radiación ultravioleta intensa (XUV). Tanto la intensidad como la fase de esta radiación XUV HHG son sensibles a la dinámica sutil de las funciones de onda de electrones involucradas en este proceso: todos los diferentes átomos y moléculas emiten radiación HHG de manera diferente.

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Si bien es relativamente fácil medir la intensidad espectral de HHG (un espectrómetro de rejilla simple puede hacerlo), medir la fase de HHG es una tarea mucho más difícil. La etapa contiene la información más relevante sobre la sincronización de los diferentes pasos en el proceso de emisión.

Para medir esta fase, se acostumbra realizar la llamada interferometría, cuando se hacen dos réplicas de una onda con un retardo finamente ajustado para interferir (o superponerse) entre sí. Puede interferir de manera constructiva o destructiva según el retraso y la diferencia de fase relativa entre ellos.

Esta medición se realiza mediante un dispositivo llamado interferómetro. Es muy difícil construir un interferómetro de luz XUV, especialmente para producir y mantener un retraso estable, conocido y sintonizable con precisión entre dos pulsos XUV.

Los investigadores de Griffith resolvieron este problema aprovechando un fenómeno conocido como la fase de Gouy, cuando una onda de luz cambia de fase de cierta manera al pasar por un foco.

En sus experimentos, los investigadores utilizaron dos isótopos diferentes de hidrógeno molecular, la molécula más simple de la naturaleza. Los isótopos, hidrógeno ligero (H2) y pesado (D2), difieren solo en la masa de sus núcleos: protones en H2 y deuterones en D2. Todo lo demás, incluida la estructura electrónica y las energías, es idéntico.

Debido a su mayor masa, los núcleos de D2 se mueven un poco más lento que los de H2. Dado que los movimientos nuclear y electrónico de las moléculas están acoplados, el movimiento nuclear influye en la dinámica de las funciones de onda de los electrones durante el proceso HHG, lo que conduce a una pequeña transición de fase ΔφH2-D2 entre los dos isótopos.

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La interferometría es el núcleo de esta investigación.

Este cambio de fase es equivalente a un retraso de tiempo Δt = H2-D2/ω donde ω es la frecuencia de la onda XUV. Los científicos de Griffith midieron este retraso en el tiempo de emisión para todos los armónicos observados en el espectro HHG: era casi constante y de poco menos de 3 attosegundos.

Para comprender sus hallazgos, los investigadores de Griffith contaron con el apoyo de teóricos de la Universidad Jiao Tong de Shanghai en Shanghai, China, dirigidos por el profesor Feng He.

Los científicos de SJTU han utilizado los métodos teóricos más avanzados para modelar de manera integral el proceso HHG en dos isótopos de hidrógeno molecular, incluidos todos los grados de libertad para el movimiento nuclear y electrónico en diferentes niveles de aproximación.

Sus simulaciones reprodujeron bien los resultados experimentales, y este acuerdo entre la teoría y el experimento le dio al equipo la confianza de que el modelo había capturado las características más básicas del proceso físico subyacente, por lo que ajustar los parámetros del modelo y los niveles de aproximación podría determinar la importancia relativa de los diferentes efectos. .

Si bien la dinámica real es muy compleja, se encontró que la interferencia bicéntrica durante el paso de recombinación electrónica era el efecto predominante.

“Debido a que el hidrógeno es la molécula más simple de la naturaleza y puede diseñarse teóricamente con gran precisión, se utilizó en estos experimentos de prueba de principio para medir el rendimiento y validar el método”, dijo el profesor Litvinok.

«En el futuro, esta técnica podría usarse para medir la dinámica ultrarrápida de varios procesos inducidos por la luz en átomos y moléculas con una resolución temporal sin precedentes».

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los resultados «Retrasos de un segundo de emisiones altamente armónicas de isótopos de hidrógeno medidos con el interferómetro XUV» Publicado en ciencia de alta velocidad.

¿Quieres escuchar más?

Únase a los investigadores de Griffith mientras reciben a la profesora Donna Strickland, Premio Nobel de Física 2018, en un evento nocturno que explora la evolución de las interacciones láser-materia.

Tales interacciones han sido la base para el desarrollo de nuevas técnicas de fabricación, como las que se utilizan en la cirugía ocular con láser y el pulido robótico del vidrio que se utiliza en los teléfonos móviles. La investigación científica de attosegundos realizada por los profesores Sang y Litvinnik es el único ejemplo de este tipo en Queensland que utiliza la tecnología descubierta por el profesor Strickland.

El profesor Strickland presentará ‘Generación de pulsos de luz de ultraintensidad ultracorta’ el jueves 8 de diciembre a partir de las 5:30 p. m. en QCA South Bank. Haga clic aquí para obtener más información y para registrarse en este evento gratuito.