Attosecond correlation interferometry
Questo articolo dimostra la generazione e la caratterizzazione di emissioni ultraviolette estreme attosecondo correlate mediante il trasferimento di correlazioni quantistiche infrarosse da un vuoto spremuto brillante a due modi alla generazione di armoniche superiori, consentendo la risoluzione sub-ciclo delle correlazioni di ampiezza e fase attraverso l'interferometria di armoniche pari e rivelando una transizione verso il quasi-silenzio nelle fluttuazioni congiunte entro 30 attosecondi.
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La luce è molto più di un semplice raggio che illumina una stanza; è un flusso di particelle chiamate fotoni che possono essere legate tra loro in modi che sfidano la nostra intuizione quotidiana. Quando questi fotoni vengono generati insieme, condividono una connessione segreta, il che significa che una variazione in uno influisce istantaneamente sull'altro, indipendentemente dalla distanza tra loro. Gli scienziati hanno a lungo utilizzato queste coppie legate per costruire sensori ultra-precisi e sistemi di comunicazione sicuri, ma le hanno studiate principalmente utilizzando luce che oscilla relativamente lentamente, su scale temporali di femtosecondi. Questo è comunque incredibilmente veloce, ma è troppo lento per catturare il movimento frenetico e sub-ciclico degli elettroni mentre saltano all'interno degli atomi. Gli elettroni si muovono su una scala temporale di attosecondi, un'unità di tempo così breve che un miliardo di miliardi di essi rientrano in un singolo secondo. Per decenni, la sfida è stata quella di creare e misurare queste connessioni quantistiche a velocità così estreme, un compito che richiede strumenti capaci di vedere la danza invisibile degli elettroni senza sfocare l'immagine.
Un team di ricercatori dell'Istituto Weizmann di Scienza e del Technion in Israele ha ora compiuto un passo fondamentale verso la risoluzione di questo enigma. Sono riusciti a generare e misurare correlazioni quantistiche in impulsi di luce ultravioletta estrema che durano solo poche centinaia di attosecondi. Per farlo, hanno utilizzato un trucco ingegnoso che prevede un processo chiamato generazione di armoniche elevate, in cui un potente raggio laser viene sparato in un gas, causando il rilascio da parte degli atomi di scariche di luce ad alta energia. In questo esperimento, i ricercatori non hanno usato solo un normale raggio laser; hanno aggiunto un secondo campo di luce più debole che conteneva coppie di fotoni legati. Questo speciale campo luminoso, noto come vuoto compresso a due modi brillanti (two-mode bright squeezed vacuum), ha agito come una sottile spinta sugli atomi nel gas. Mentre gli atomi rispondevano a questa spinta, emettevano scariche di luce ultravioletta estrema che portavano con sé le stesse connessioni segrete della luce infrarossa originale, traducendo efficacementamente il legame quantistico da una velocità lenta e familiare alla velocità vertiginosa del movimento elettronico.
I ricercatori hanno affrontato un ostacolo significativo: gli impulsi di luce che hanno creato erano caotici, con la loro luminosità e il loro tempo che fluttuavano selvaggiamente da un'ondata all'altra. Se avessero osservato la luce da uno dei soli canali collegati, il segnale sarebbe apparso come rumore casuale, nascondendo qualsiasi schema sottostante. Tuttavia, misurando la luce da entrambi i canali simultaneamente, sono riusciti a vedere l'ordine nascosto. Hanno scoperto che, sebbene i singoli impulsi fossero rumorosi, le fluttuazioni in un canale erano perfettamente accoppiate alle fluttuazioni nell'altro. Era come se due persone stessero gridando parole casuali, ma se le ascoltassi insieme, le loro voci annullassero il rumore, rivelando un ritmo chiaro e sincronizzato. Ciò ha permesso al team di dimostrare che le correlazioni quantistiche sono sopravvissute al viaggio dallo spettro infrarosso, dove sono state create, fino allo spettro dell'ultravioletto estremo, dove gli impulsi di luce sono abbastanza brevi da tracciare il movimento degli elettroni.
Per confermare che queste connessioni non riguardassero solo la luminosità ma anche la precisa tempistica delle onde luminose, il team ha utilizzato una proprietà unica della luce che hanno generato. L'interazione tra il laser e il gas ha prodotto un tipo specifico di impulso luminoso che appariva solo quando i due canali collegati lavoravano insieme in modo preciso. Regolando attentamente la temporizzazione tra il laser principale e la luce legata, hanno osservato l'intensità di questi impulsi speciali salire e scendere in un modello ritmico. Questa oscillazione ha dimostrato che i due canali non erano solo legati in termini di forza, ma erano anche bloccati in fase, il che significa che i loro picchi e ventri d'onda erano sincronizzati con precisione attososecondica. Questa osservazione ha servito come misura diretta della connessione quantistica, confermando che i ricercatori avevano trasferito con successo la delicata relazione quantistica in un nuovo regime ultrafast.
Il risultato più sorprendente è arrivato quando il team ha ricostruito la forma reale degli impulsi di luce nel tempo. Hanno scoperto che, mentre i singoli impulsi erano un caos di fluttuazioni casuali, il segnale combinato rivelava una struttura che era quasi silenziosa per brevi momenti, seguita da improvvise scariche di rumore intenso. Questa transizione dal caos al silenzio è avvenuta in soli 3-0 attosecondi. Questa scoperta dimostra che le correlazioni quantistiche non sono solo una curiosità statistica, ma una struttura fisica reale che può essere manipolata e osservata. La capacità di generare e misurare queste correlazioni sulla scala temporale naturale degli elettroni apre una nuova porta alla scienza. Suggerisce che, in futuro, i ricercatori potrebbero usare questi strumenti per osservare come gli elettroni interagiscono tra loro all'interno di molecole e materiali, rivelando potenzialmente nuovi modi per controllare le reazioni chimiche o comprendere il comportamento fondamentale della materia al suo livello più basico.
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