Az alagúteffektus első megfigyelése

A Nature című tudományos hetilap nemrégiben közölte Krausz Ferenc és munkatársai tanulmányát, melyben a szerzők az elektron alagúteffektusát figyelték meg atomokban, valós időben és attoszekundumos (a másodperc 10^-18 része) időfelbontással. Ez volt az egykor csak feltételezett jelenség első kísérleti megfigyelése.

A kísérleti tükörrendszer részlete

A femtoszekundum (a másodperc 10^-15 része) időtartományába 1990-ben jutottak el a kísérleti fizikusok. Ehhez különleges megoldásra volt szükség: egy lézerfény körbeszaladására egy tükörrendszeren: eközben a tükrökön a fény egy része kicsatolódik, így jön létre a femtoszekundumos impulzus. A körbeszaladó fénysugár csupán femtoszekundumnyi időt tölt egy-egy tükrön, s ez határozza meg a tükör másik oldalán kilépő fényimpulzus hosszát.

Az ilyen rövid lézerimpulzus nem csak tudományos érdekesség, de mára már sokféle gyakorlati haszna is van. Az egyik alkalmazásban például azt használják ki, hogy az impulzus annyira rövid, hogy a megcélzott, illetve eltalált felület közvetlen környezetének nincs ideje felmelegedni, ezért nincs hővezetés, továbbá oldalirányban és mélységben egyaránt fantasztikus pontosság érhető el. A femtoszekundumos lézerimpulzusok ezért szerepet kaphatnak szemészeti műtétekben, fogorvosi beavatkozásokban és dízelmotorok befecskendező nyílásainak megmunkálásában is.

Krausz Ferencnek és munkatársainak Bécsben, illetve a München melletti Garchingban a legelsők között sikerült attoszekundumos (a femtoszekundum ezredrésze) impulzusú lézert előállítaniuk. Az attoszekundumos impulzusok már a kvantumvilágba, a molekulák és az atomok mérettartományába visznek el. Ezen az időskálán történik az elektronállapotok kialakulása, itt zajlanak a kémiai reakciók, de az anyagszerkezet változásait és az optikai válaszok megjelenését is itt kísérhetjük figyelemmel.

Az attoszekundum időtartam azt jelenti, hogy az elektromágneses tér változásának mindössze néhány ciklusa fér bele a lézerimpulzusba. Ezzel az erős, pontosan formázott elektromos térrel ki lehet vonni egy elektront az atomból. A folyamat egy különleges, csak a kvantumvilágban létező megoldás: az elektron az úgynevezett alagúthatás segítségével lép ki az atomból.

Képzeljük el, hogy az elektron útjába egy domb kerül: a klasszikus világban az elektron csak a dombra felmászva tudna továbbhaladni. A kvantumok világában azonban nem pattan vissza az akadályról, de nem is a domb fölött halad át, hanem úgy, mintha alagutat talált volna. Az elképzelt domb valójában egy potenciálgát, amely magasabb a részecske teljes energiájánál, ezért áll az útjában. A Heisenberg-féle határozatlansági reláció szerint a részecske energiája azonban rövid időre nagyobb lehet a potenciálgátnál, ezért tud átjutni a túloldalra.

Krausz és munkatársai lézerrel egy 250 attoszekundum hosszú, körülbelül 90 elektronvolt energiájú röntgenimpulzust hoznak létre. Először a röntgenimpulzust, majd bizonyos késleltetéssel az eredeti lézerimpulzust juttatták a vizsgálandó mintára. A röntgenfoton hatására egy elektron azonnal kiszabadult az atomból, egy másik pedig magasabb, de még az atomhoz kötött energiaállapotba került. Az eredetileg semleges atom az első elektron kilépése miatt pozitív töltésű ionná változott, a második elektron elmozdulása miatt pedig gerjesztett állapotba került.

Az ezután érkező lézerimpulzus erősen eltorzítja azt a potenciált, amely az atomhoz köti az elektront. A gerjesztett elektron egy véges akadályba ütközik, ezen viszont alagúteffektussal áthatolhat. Ha ez a második elektron is kilép, akkor az atom kétszeres pozitív töltésűvé válik.

A kísérletben neonatomokkal dolgoztak. Változtatták a röntgen- és a lézerimpulzus közti késleltetés hosszát, és valós időben figyelték a kétszeresen ionizált neonállapotok megjelenését. Bebizonyosodott, hogy a gerjesztés és az ionizáció folyamatai igen gyorsan, összességében 300 attoszekundumnál rövidebb idő alatt lezajlanak. Megfigyelésük jó egyezésben van az L. V. Keldysh által 1965-ben közölt elméleti számításokkal.

A kutatók a kísérletek további finomítását tervezik. Jóval rövidebb röntgenimpulzusokat szeretnének létrehozni, majd ezeknek a segítségével attoszekundum pontossággal feltárni, hogyan viselkednek az elektronok különböző atomi és molekuláris rendszerekben.

Az 1962-ben Móron született Krausz Ferenc (jobbra) a Budapesti Műszaki Egyetemen végzett villamosmérnökként. A bécsi műegyetemen doktorált, ahol 1998-tól docensként, 1999-től pedig egyetemi tanárként dolgozik. 2003-ban elnyerte a német Max Planck Kvantumoptikai Kutatóintézet igazgatói posztját. A Magyar Tudományos Akadémia közgyűlése 2007. május 7-én választotta az MTA külső tagjává. Kutatásai a nagyon rövid fényimpulzusok létrehozására és az ezekkel végezhető vizsgálatokra irányulnak.