Физики впервые используют оптические вихревые пучки для управления ионизацией
Новое открытие в области физики сильного поля впервые демонстрирует, что ионизацией — процессом, в ходе которого электроны выбрасываются из атомов или молекул, — можно точно управлять с помощью световых пучков с уникальными структурными свойствами.
Исследование, проведенное группой физиков из Университета Оттавы и в журнале Nature Communications, бросает вызов давним предположениям о пределах поведения электронов и открывает путь к новым технологиям в области визуализации, ускорения частиц и квантовых компьютеров.
Важность ионизации
Ионизация — это фундаментальный физический процесс, при котором атомы или молекулы теряют электроны и превращаются в заряженные частицы. Это явление играет важную роль в различных природных и технологических контекстах — от драматических выбросов энергии, наблюдаемых в молниях и северном сиянии, до таких передовых приложений, как генерация рентгеновских лучей и плазменные технологии.
В физике сильного поля и аттосекундной физике ионизация занимает центральное место в понимании того, как интенсивные лазерные импульсы взаимодействуют с веществом на чрезвычайно коротких временных интервалах. Традиционно ученые считали, что этот процесс в значительной степени регулируется свойствами, присущими атомам, и интенсивностью лазерного излучения, что ограничивало степень контроля над тем, как и когда могут освобождаться электроны.
Однако последние результаты, полученные в Университете Оттавы, существенно меняют эту точку зрения.
Структурированный свет как инструмент
Исследование, проведенное под руководством профессора Рави Бхардваджа с физического факультета Университета Оттавы, демонстрирует новый метод воздействия на ионизацию с помощью оптических вихревых пучков — световых пучков, несущих орбитальный угловой момент.
В отличие от обычных лазерных лучей, эти вихревые лучи обладают спиральной фазовой структурой, что приводит к образованию профиля интенсивности в форме бублика с центральной «областью нулевой интенсивности». Такая структура позволяет исследователям манипулировать угловым моментом света и использовать его в качестве тонко настраиваемого инструмента для управления поведением электронов в момент ионизации.
«Мы продемонстрировали, что с помощью оптических вихревых пучков — световых пучков, несущих угловой момент, — мы можем точно контролировать процесс вылета электрона из атома», — пояснил профессор Бхардвадж в своем недавнем заявлении. «Это открытие открывает новые возможности для совершенствования технологий в таких областях, как визуализация и ускорение частиц».
Точное управление электронами
Исследование, проводившееся в течение двух лет в Передовом исследовательском комплексе Университета Оттавы, позволило ввести понятие оптического дихроизма — явления, при котором скорость ионизации зависит от «рукопожатности» (лево- или правоспиральной структуры) оптических вихревых пучков. Такая чувствительность к угловому моменту позволила команде селективно ионизировать атомы и молекулы, изменяя свойства пучка.
В результате своей работы исследователи впервые экспериментально продемонстрировали, что орбитальный угловой момент светового пучка может влиять на скорость ионизации. Исследователи добились селективного выброса электронов, манипулируя нулевой областью интенсивности пучка, что позволило локализовать контроль над процессом ионизации.
Это исследование основывается на фундаментальных теориях квантовой оптики и динамики сильного поля, но добавляет новый уровень контроля за счет инженерии самого света.
Более широкое влияние выброса электронов
Возможность управлять выбросом электронов с такой точностью может изменить различные научные и промышленные области применения. Например, будущие методы медицинской визуализации могут выиграть от более эффективных и селективных методов ионизации, что приведет к улучшению диагностики при меньших затратах энергии. Это достижение также может проложить путь к созданию более стабильных и масштабируемых систем квантовых компьютеров, где контроль над квантовым состоянием отдельных частиц имеет большое значение.
«Изменить наше представление о том, как выбрасываются электроны, было непросто, но наше исследование доказывает, что использование передовых лазерных технологий может привести к новым открытиям, которые влияют как на науку, так и на технологии», — отметил Бхардвадж.