Visualisierung einer komplexen Elektronenwellenfunktion mit hochauflösender Attosekunden-Technologie

Der Beginn des 20^e Jahrhundert sah das Aufkommen der Quantenmechanik, um die Eigenschaften kleiner Teilchen wie Elektronen oder Atome zu beschreiben. Die Schrödinger-Gleichung in der Quantenmechanik kann die elektronische Struktur von Atomen oder Molekülen erfolgreich vorhersagen. Die „Dualität“ der Materie, die sich auf die duale „Teilchen“- und „Wellen“-Natur der Elektronen bezieht, ist jedoch nach wie vor ein umstrittenes Thema. Physiker verwenden eine komplexe Wellenfunktion, um die Wellennatur eines Elektrons darzustellen.

“Komplexe” Zahlen sind solche, die sowohl “reelle” als auch “imaginäre” Teile haben, deren Verhältnis “Phase” genannt wird. Allerdings müssen alle direkt messbaren Größen „echt“ sein. Dies führt zu folgender Herausforderung: Trifft das Elektron auf einen Detektor, wird die „komplexe“ Phaseninformation des Wellenfunktion verschwindet, so dass nur das Quadrat der Amplitude der Wellenfunktion (ein “echter” Wert) aufgezeichnet werden muss. Das bedeutet, dass Elektronen nur als Teilchen detektiert werden, was es schwierig macht, ihre dualen Eigenschaften in Atomen zu erklären.

Das nächste Jahrhundert sah eine neue Ära der sich entwickelnden Physik, nämlich Attosekunde Physik. Die Attosekunde ist eine sehr kurze Zeitskala, ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. „Die Attosekundenphysik eröffnet einen Weg, die Phase von Elektronen zu messen. Durch das Erreichen einer Attosekunden-Zeitauflösung kann die Dynamik von Elektronen beim Einfrieren beobachtet werden Molekulare Bewegung“sagt Professor Hiromichi Niikura vom Department of Applied Physics der Waseda University, Japan, der zusammen mit Professor DM Villeneuve, Principal Investigator am Joint Attosekunden-Wissenschaftslabor, National Research Council und Adjunct Professor an der University of Ottawa, Pionierarbeit auf dem Gebiet der Attosekunden geleistet hat Physik.

Niikura und Villeneuve hatten zuvor eine revolutionäre Methode, die Attosekunden-Rekollision, entwickelt und auch die Abbildung einer Molekülorbital- oder Elektronenwellenfunktion innerhalb eines Moleküls demonstriert.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Körperliche Untersuchung Averwendeten diese Forscher einen anderen Ansatz, der die Attosekundenphysik beinhaltete, indem sie einen Attosekundenlaserpuls oder die Erzeugung hoher Harmonischer verwendeten, um eine komplexe Wellenfunktion zu visualisieren. Der Attosekunden-Laserpuls besteht aus kohärentem Licht mit einer viel kürzeren Wellenlänge als ultraviolettes Licht, das als extremes ultraviolettes (EUV) Licht bezeichnet wird. Wenn dieser Impuls ein Gas bestrahlt, wird ein Elektron ausgestoßen.

Dieser Vorgang wird als Photoionisation bezeichnet. Der Attosekundenpuls besteht aus einer Reihe von “Harmonischen” oder verschiedenen Lichtfarben. Durch die Steuerung der Erzeugung des Attosekundenpulses isolierten die Forscher zwei Photoionisationspfade – einen bestehend aus einer bestimmten Harmonischen und einen anderen bestehend aus einer anderen Harmonischen mit einem Infrarotpuls – um das Neon zu ionisieren. Die von den beiden Kanälen erzeugten elektronischen Wellenfunktionen können sich gegenseitig stören.

Das Interferenzmuster variiert mit der Attosekundenverzögerung zwischen den Harmonischen und den IR-Pulsen. Das Team bestimmte die Phasen- und Amplitudenverteilungen des Photoelektrons aus der Interferenzmuster und visualisierte seine komplexe Wellenfunktion. Da die Energieauflösung geringer ist als die Bandbreite von Attosekundenpulsen, konnten die Forscher die detaillierte Struktur der Wellenfunktion sichtbar machen.

Darüber hinaus entwickelten die Forscher eine Methode, um die gemessene Wellenfunktion in Wellenfunktionen zu zerlegen, die von einzelnen Ionisationspfaden erzeugt werden.

Nachdem Forscher nun erfolgreich die komplexe Wellenfunktion eines Elektrons visualisiert haben – etwas, das mit herkömmlicher Photoelektronenspektroskopie nicht sichtbar ist – können sie noch viel mehr tun. Niikura sagt: „Heutzutage ist die Photoelektronenspektroskopie mit EUV- und Röntgenstrahlen zu einem grundlegenden Werkzeug zur Untersuchung der Strukturen und Dynamik von Materialien geworden. Die vorliegende Methode wird einen Weg bieten, die Quanteneigenschaften von Elektronen aufzuklären.“

Die Visualisierung der vollständigen, detaillierten und komplexen elektronischen Wellenfunktion wird erhebliche Auswirkungen auf die Bereiche Nanotechnologie, Chemie und Molekularbiologie haben.