Atom je zasažen laserovým pulsem. Jeden elektron je z atomu vytržen, další elektron je posunut do stavu s vyšší energií. Kredit: ZU Wien.

Kvantová mechanika popisuje jevy, které se často odehrávají na extrémně krátké časové škále. Ještě nedávno byly takové považované za okamžité. Elektron se pohybuje po orbitě kolem atomového jádra – a v příštím okamžiku je vytržený z orbity zábleskem světla. Dvě částice se srazí – a okamžitě jsou kvantově provázány, entanglovány.

Dnešním fyzikům ale narostl hřebínek (v tom nejlepším smyslu slova) a snaží se zkoumat extrémně krátký časový průběh kvantových událostí. Joachim Burgdörfer z TU Wien a jeho kolegové vyvinuli software pro simulaci ultrakrátkých procesů. S jeho pomocí je možné zkoumat kvantový entanglement na škále attosekund.

Joachim Burgdörfer. Kredit: TU Wien.

Badatelé simulovali situaci, kdy je atom zasažený extrémně intenzivním vysokofrekvenčním laserovým pulzem. Zásah laserem odtrhne jeden elektron, a pokud je záření dost silné, ovlivní i druhý elektron, který se posune do stavu o vyšší energii. Zároveň jsou tyto dva elektrony entanglované.

Logo. Kredit: TU Wien.

Simulace ukázaly, že při použití vhodného protokolu pro měření, který využije dva různé laserové paprsky, lze dosáhnout situace, kdy je „zrození“ volného elektronu, čili jeho odpálení z atomu, kvantově provázáno s energetickým stavem druhého elektronu, který zůstane v atomu. Z toho podle Burgdörfera vyplývá, že přesný čas „zrození“ volného elektronu není známý, protože se nachází ve kvantové superpozici. Lze říct, že elektron opouští atom v dřívějším a současně i pozdějším časovém bodu. „Skutečný“ čas nelze určit, protože kvantová mechanika se „skutečností“ nepracuje.

K určité odpovědi, jak říkají Burgdörfer a spol., se ale lze dopracovat prozkoumání stavu druhého elektronu, který zůstal v atomu. Pokud má tento druhý elektron vyšší energii, pak první elektron odletěl spíše v dřívějším časovém bodu. Když má ale druhý elektron nižší energii, pak první elektron odletěl spíše později, v průměru o 232 attosekund. To je sice téměř okamžitě, ale dnešní fyzika tohle dokáže změřit. Už nestačí říkat, že kvantové jevy jsou okamžité.

Jak říká Burgdörferova kolegyně Iva Březinová, elektron jen tak nevyskočí z atomu. Je to vlastně vlna, která se rozlije z atomu, a to nějakou dobu trvá. Podle Březinové přesně v této fázi dochází k entanglementu, a důsledky pak můžeme měřit pozorováním obou zúčastněných elektronů. Jak se zdá, vstupujeme do éry měření kvantových procesů.

Video: Zeptosecond Science Beyond Attosecond Physics

Literatura

TU Wien 22. 10. 2024.

Physical Review Letters 133: 163201.