🔬 Physik

Attosecond correlation interferometry

Diese Arbeit demonstriert die Erzeugung und Charakterisierung korrelierter Attosekunden-Extrem ultravioletter Emissionen durch den Transfer infraroter Quantenkorrelationen von einem Zwei-Moden-Bright-Squeezed-Vakuum auf die Hochharmonische Generation, was die Sub-Zyklus-Auflösung von Amplituden- und Phasenkorelationen durch geradzahlige Harmonika-Interferometrie ermöglicht und einen Übergang zu nahezu völliger Stille innerhalb der gemeinsamen Fluktuationen innerhalb von 30 Attosekunden offenbart.

Ursprüngliche Autoren: Chen Mor, Assaf Shonfeld, Keren Deutsch, Noa Yaffe, Michael Birk, Matan Even Tzur, Barak Dayan, Oren Cohen, Nirit Dudovich

Veröffentlicht 2026-10-21

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Chen Mor, Assaf Shonfeld, Keren Deutsch, Noa Yaffe, Michael Birk, Matan Even Tzur, Barak Dayan, Oren Cohen, Nirit Dudovich

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Licht ist mehr als nur ein Strahl, der einen Raum beleuchtet; es ist ein Strom von Teilchen, die Photonen genannt werden, die auf eine Weise miteinander verknüpft werden können, die unserer alltäglichen Intuition trotzt. Wenn diese Photonen gemeinsam erzeugt werden, teilen sie eine geheime Verbindung, was bedeutet, dass eine Änderung an dem einen das andere augenblicklich beeinflusst, ungeachtet der Entfernung zwischen ihnen. Wissenschaftler haben diese verknüpften Paare schon lange genutzt, um ultrapräzise Sensoren und sichere Kommunikationssysteme zu bauen, doch sie haben diese meist mit Licht untersucht, das relativ langsam oszilliert, auf Zeitskalen von Femtosekunden. Dies ist immer noch unglaublich schnell, aber zu langsam, um die hektische, subzyklische Bewegung von Elektronen einzufangen, während diese innerhalb von Atomen umherhüpfen. Elektronen bewegen sich auf einer Attosekunden-Zeitskala, einer Zeiteinheit, die so kurz ist, dass eine Billiarde Billiarden von ihnen in eine einzige Sekunde passen würden. Jahrzehntelang war die Herausforderung, diese Quantenverbindungen bei solch extremen Geschwindigkeiten zu erzeugen und zu messen – eine Aufgabe, die Werkzeuge erfordert, die in der Lage sind, den unsichtbaren Tanz der Elektronen zu sehen, ohne das Bild zu verwischen.

Ein Team von Forschern des Weizmann-Instituts für Naturwissenschaften und der Technion in Israel hat nun einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieses Rätsels gemacht. Es gelang ihnen, Quantenkorrelationen in extrem ultravioletten Lichtpulsen zu erzeugen und zu messen, die nur wenige hundert Attosekunden dauern. Um dies zu erreichen, nutzten sie einen klugen Trick unter Verwendung eines Prozesses namens Hochharmonic-Erzeugung (High-Harmonic Generation), bei dem ein leistungsstarker Laserstrahl in ein Gas geschossen wird, was die Atome dazu bringt, Ausbrüche von hochenergetischem Licht freizusetzen. In diesem Experiment verwendeten die Forscher nicht nur einen Standard-Laserstrahl; sie fügten ein zweites, schwächeres Lichtfeld hinzu, das Paare von verknüpften Photonen enthielt. Dieses spezielle Lichtfeld, bekannt als ein zweimodales helles gequetschtes Vakuum (two-mode bright squeezed vacuum), wirkte wie ein subtiler Anstoß auf die Atome im Gas. Als die Atome auf diesen Anstoß reagierten, emittierten sie Ausbrüche von extrem ultraviolettem Licht, die dieselben geheimen Verbindungen wie das ursprüngliche Infrarotlicht trugen, wodurch die Quantenverbindung effektiv vom langsamen, vertrauten Tempo in das rasende Tempo der Elektronenbewegung übersetzt wurde.

Die Forscher sahen sich einem erheblichen Hindernis gegenüber: Die von ihnen erzeugten Lichtpulse waren chaotisch, wobei ihre Helligkeit und ihr Timing von einem Ausbruch zum nächsten wild fluktuierten. Hätten sie das Licht nur von einem der verknüpften Kanäle betrachtet, wäre das Signal als zufälliges Rauschen erschienen, das jedes zugrunde liegende Muster verborgen hätte. Indem sie jedoch das Licht von beiden Kanälen gleichzeitig gemessen, konnten sie die verborgene Ordnung erkennen. Sie entdeckten, dass die einzelnen Pulse zwar verrauscht waren, die Fluktuationen in einem Kanal jedoch perfekt auf die Fluktuationen im anderen abgestimmt waren. Es war, als würden zwei Menschen zufällige Wörter rufen, aber wenn man ihnen gemeinsam zuhört, heben ihre Stimmen das Rauschen auf und offenbaren einen klaren, synchronisierten Rhythmus. Dies ermöglichte es dem Team zu beweisen, dass die Quantenkorrelationen die Reise vom Infrarotspektrum, in dem sie erzeugt wurden, bis hin zum extrem ultravioletten Spektrum, wo die Lichtpulse kurz genug sind, um die Bewegung von Elektronen zu verfolgen, überstanden haben.

Um zu bestätigen, dass diese Verbindungen nicht nur von der Helligkeit, sondern auch von der präzisen zeitlichen Abstimmung der Lichtwellen handelten, nutzte das Team eine einzigartige Eigenschaft des erzeugten Lichts. Die Wechselwirkung zwischen dem Laser und dem Gas erzeugte eine spezifische Art von Lichtpuls, der nur auftrat, wenn die beiden verknüpften Kanäle auf eine präzise Weise zusammenwirkten. Durch die sorgfältige Anpassung des Timings zwischen dem Hauptlaser und dem verknüpften Licht beobachteten sie, wie die Intensität dieser speziellen Pulse in einem rhythmischen Muster anstieg und abfiel. Diese Oszillation bewies, dass die beiden Kanäle nicht nur in ihrer Stärke verknüpft, sondern auch in ihrer Phase gekoppelt waren, was bedeutet, dass ihre Wellenberge und -täler mit Attosekunden-Präzision synchronisiert waren. Diese Beobachtung diente als direkter Nachweis der Quantenverbindung und bestätigte, dass es den Forschern gelungen war, die delikate Quantenbeziehung in ein neues, ultraschnelles Regime zu übertragen.

Das beeindruckendste Ergebnis ergab sich, als das Team die tatsächliche Form der Lichtpulse in der Zeit rekonstruierte. Sie fanden heraus, dass, während die einzelnen Pulse ein Chaos aus zufälligen Fluktuationen waren, das kombinierte Signal eine Struktur offenbarte, die für kurze Momente fast lautlos war, gefolgt von plötzlichen Ausbrüchen intensiven Rauschens. Dieser Übergang von Chaos zu Stille geschah in nur 30 Attosekunden. Dieser Befund demonstriert, dass die Quantenkorrelationen nicht nur eine statistische Kuriosität sind, sondern eine reale, physische Struktur, die manipuliert und beobachtet werden kann. Die Fähigkeit, diese Korrelationen auf der natürlichen Zeitskala von Elektronen zu erzeugen und zu messen, öffnet der Wissenschaft eine neue Tür. Es deutet darauf an, dass Forscher in Zukunft diese Werkzeuge nutzen könnten, um zu beobachten, wie Elektronen innerhalb von Molekülen und Materialien miteinander interagieren, was potenziell neue Wege eröffnet, chemische Reaktionen zu steuern oder das fundamentale Verhalten von Materie auf ihrer grundlegendsten Ebene zu verstehen.

Technische Zusammenfassung: Attosekunden-Korrelationsinterferometrie

Problemstellung
Korrelationen zwischen optischen Moden, die von klassischen Fluktuationen bis hin zu Quantenverschränkung reichen, sind fundamental für die moderne Optik und Quantentechnologien. Während Korrelationsmessungen bereits in den Röntgenbereich ausgeweitet wurden und optische Korrelationen auf Femtosekunden-Zeitskalen aufgelöst werden konnten, bleibt das Proben dieser Korrelationen auf der natürlichen Zeitskala der Elektronenbewegung – dem Attosekunden-Regime – eine große Herausforderung. Insbesondere war es bisher schwer umsetzbar, korrelierte Photonen innerhalb von Attosekunden-Bursts zu erzeugen und deren Korrelationen mit Sub-Zyklus-Zeitauflösung zu detektieren. Die Autoren zielen darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem sie Korrelationen mit Quantenursprung vom Infrarot (IR) in das extreme Ultraviolet (XUV) übertragen und diese mit Attosekunden-Präzision auflösen.

Methodik
Die Studie verwendet eine Drei-Feld-Konfiguration, die die Hochharmonische Generierung (HHG) mit einem nicht-degeneraten Zwei-Moden-Bright-Squeezed-Vakuum (TMBSV) kombiniert.

Quellen-Generierung: Ein 800 nm IR-Pumplaser wird aufgespalten. Eine starke kohärente Komponente treibt die HHG in einem Krypton-Gasstrahl an. Eine schwächere Komponente pumpt einen nicht-degeneraten spontanen parametrischen Down-Conversion-Prozess (SPDC) in $\chi^{(2)}$ -Kristallen an, um TMBSV zu erzeugen. Dies erzeugt spektral getrennte „Signal“- ( $\omega_s \approx 0,9$ eV) und „Idler“- ( $\omega_i \approx 0,62$ eV) Moden mit komplexen thermischen Fluktuationen und starken Amplituden-/Phasenkorrelationen ( $n_s = n_i$ und $\phi_s + \phi_i \approx \text{konst}$ ).
Perturbation: Die TMBSV-Felder stören den stark feldgetriebenen HHG-Prozess kolliniar. Diese Perturbation modifiziert den Tunnelprozess und die Elektronenbahnen, wodurch die stochastischen Amplituden- und Phasenfluktuationen des IR-Feldes auf das emittierte XUV-Spektrum geprägt werden.
Spektrale Abbildung: Die Wechselwirkung erzeugt „fraktionale Harmonische“ (Seitenbänder bei $2N \pm \delta_{s,i}$ ), welche die IR-Korrelationen erben. Entscheidend ist, dass höhere-Ordnung-perturbative Prozesse gerade Harmonische ( $2N$ ) erzeugen, die aus dem gemeinsamen Beitrag beider Signal- und Idler-Felder innerhalb desselben Halbschwingungszyklus resultieren.
Interferometrische Detektion: Die geraden Harmonischen dienen als intrinsischer Attosekunden-Koinzidenzinterferometer. Da deren Erzeugung zwei ununterscheidbare Quantenpfade beinhaltet (z. B. Absorption aus einer ungeraden Harmonischen gegenüber Emission aus einer anderen), oszilliert deren Intensität als Funktion der Verzögerung zwischen dem Pumpfeld und dem TMBSV-Feld. Diese Oszillation ist sensitiv gegenüber der Phasensumme der fraktionalen Harmonischen.
Rekonstruktion: Durch die Durchführung von Single-Shot-Messungen des XUV-Spektrums über variierende Verzögerungen hinweg rekonstruieren die Autoren die zeitliche Emission. Sie nutzen die gemessene Amplitudenvarianzen und die aus den geraden Harmonischen-Oszillationen abgeleitete Phaseninformation, um eine Fourier-Rekonstruktion der Attosekunden-Pulszüge durchzuführen.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse

Transfer von Korrelationen: Das Experiment demonstriert den erfolgreichen Transfer von Amplituden- und Phasenkorrelationen von Femtosekunden-IR-Moden auf breitbandige XUV-Moden. Die spektrale Amplitudenkovarianzmatrix des XUV zeigt eine vierlappige Struktur, welche die Signal- und Idler-getriebenen fraktionalen Harmonischen verbindet und die IR-TMBSV-Korrelationen über eine Bandbreite von $\sim$ 20 eV widerspiegelt.
Sub-Zyklus-Phasenauflösung: Die Erzeugung gerader Harmonischer fungiert als Sub-Zyklus-Koinzidenzdetektor. Während fraktionale Harmonische individuell zufällige Shot-to-Shot-Phasen aufweisen, zeigen die geraden Harmonischen ausgeprägte Oszillationen bei der Frequenz $2\omega_p$ , wenn die Verzögerung gescannt wird. Dies bestätigt, dass die Phasensumme der Signal- und Idler-getriebenen fraktionalen Harmonischen ( $\phi_{2N\pm\delta_s} + \phi_{2N\pm\delta_i}$ ) effektiv an die Pumpphase gekoppelt bleibt, was die Auflösung von Phasenkorrelationen mit Attosekunden-Präzision ermöglicht.
Zeitbereichs-Rekonstruktion: Die gemeinsame zeitliche Rekonstruktion der beiden Familien fraktionaler Harmonischer offenbart ein distinktes Attosekunden-Skala-Rauschmuster. Während einzelne Rekonstruktionen aufgrund thermischer Phasenfluktuationen verschwommene Sub-Zyklus-Strukturen zeigen, weist das gemeinsame Feld einen klaren Übergang von maximalen Fluktuationen zu nahezu absoluter Stille innerhalb von etwa 30 Attosekunden auf. Dies demonstriert, dass die gemeinsame Rekonstruktion Fluktuationen unterdrückt und die zugrunde liegenden korrelierten Dynamiken offenlegt.
Statistische Charakterisierung: Die Studie charakterisiert die Statistik des erzeugten Lichts. Fraktionale Harmonische weisen thermische Statistiken auf ( $g^{(2)}(0) \approx 1,4$ ), während gerade Harmonische verstärkte Fluktuationen zeigen ( $g^{(2)}(0) \approx 3,2$ ), was auf die multiplikative Natur der Zwei-Moden-Wechselwirkung zurückzuführen ist.

Bedeutung und Ansprüche
Die Autoren behaupten, dass diese Arbeit einen Rahmen für die Erzeugung und Untersuchung von Quantenkorrelationen auf Attosekunden-Zeitskalen etabliert. Durch die Nutzung der HHG als nichtlinearen Frequenzkonverter, der die Inter-Moden-Korrelationsstrukturen bewahrt, eröffnet die Studie die Tür zur „Quanten-Attosekunden-Wissenschaft“. Die Fähigkeit, sowohl Amplituden- als auch Phasenkorrelationen mit Sub-Zyklus-Präzision aufzulösen, ermöglicht die Beobachtung korrelierter Elektronendynamik auf ihrer natürlichen Zeitskala. Die Autoren legen nahe, dass dieser Ansatz neue Kontrastmechanismen für die Ultrakurzzeit-Spektroskopie und -Mikroskopie sowie die direkte Beobachtung und Kontrolle von Vielteilchen-Wechselwirkungen und elektronischen Korrelationen in Materie ermöglichen könnte, indem die Konzepte des nicht-klassischen Lichts in den Attosekunden-Bereich erweitert werden.

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