Un camp làser a mida per manipular les rutes quàntiques

Alguna vegada t'has preguntat quin és el límit per copsar la imatge una molècula, fins on podem arribar? Per poder veure on es troben tots els àtoms d'una molècula a l'espai, cal una resolució espacial a escala de picòmetre. A més, per també "observar" com una molècula experimenta una reacció química, cal una resolució temporal d'attosegons. La difracció d'electrons induïda per làser (LIED per les sigles en anglès) és l'única tècnica que combina la resolució en picòmetres amb la resolució en subcicles, i permet obtenir imatges de molècules aïllades amb només un dels seus propis electrons. Però, en l'àmbit de la mecànica quàntica, fins i tot un electró pot estar a diferents ubicacions al mateix temps. Per tant, per arribar a assolir el límit físic, caldria eliminar aquestes diferents rutes quàntiques – o ubicacions – dels electrons.

Manipulant les trajectòries quàntiques dels fotoelectrons

Eliminar les diferents rutes quàntiques és exactament el que s'ha aconseguit en un experiment, publicat recentment a la revista Optica, dut a terme pels investigadors a l’ICFO Aurelien Sanchez, Kasra Amini i Tobias Steinle, liderats pel Prof. CREA en ICFO Jens Biegert, en col·laboració amb els investigadors a la Universitat de Rostock a Alemanya i els instituts Weizmann Institute of Science i Technion a Israel.

A l'experiment, l'equip va utilitzar un camp làser fet a mida, controlat per fases i de dos colors, per manipular els patrons de redispersió dels fotoelectrons. Això els permetia, per una banda, seleccionar camins o vies quàntiques específiques, i de l'altra, mapejar amb precisió el momentum dels electrons amb el temps de redispersió.

Els investigadors primer van dur a terme experiments a l'infraroig proper (NIR, per les sigles en anglès de near-infrared) i a l'infraroig mitjà (MIR, per mid-infrared) utilitzant camps làser de dos colors, i manipulant els paràmetres del làser per poder controlar la intensitat i les fases relatives. Van fer servir una longitud d'ona de 788 nm als experiments NIR i de 3,2 µm als experiments MIR, amb una durada del pols de 30 fs i 50 fs respectivament.

Després, utilitzant microscopis de reacció i velocity-map-imaging (VMI), van detectar i mesurar els fotoelectrons emesos. L'equip va veure que en els experiments MIR hi havia una separació clara entre les trajectòries quàntiques. Per poder entendre millor aquestes dinàmiques quàntiques, també van analitzar l'espectre resolt en el temps mitjançant simulacions teòriques, diferenciant entre el retorn de dispersió parell i imparell.

Això els va permetre treure les interferències no desitjades i aïllar les trajectòries individuals dels electrons, aconseguint inequívocament mapejar l'energia i el temps de dispersió. Ajustant els diferents paràmetres del làser, com ara la diferència de fases o la ràtio d'intensitat relativa, l'equip va poder controlar les contribucions de les trajectòries llargues i curtes dels electrons.

Aquesta combinació de mètodes experimentals i aproximacions teòriques - en aquest cas l'equació de Schrödinger dependent del temps-, l'article demostra que, si es fa servir un camp làser fet a mida, controlat per fases i de dos colors, es poden modelar les trajectòries quàntiques a les tècniques LIED. Ser capaç de controlar i seleccionar determinades trajectòries quàntiques ionitzants té un impacte en moltes aplicacions de la física ultraràpida, i en l'espai i el temps de l'escaneig d'imatges.