Maddenin Kuantum Halinde İzlenen Elektron Hareketi

Maddenin Kuantum Halinde İzlenen Elektron Hareketi
SLAC liderliğindeki bir ekip, XLEAP adlı bir yöntem icat etti. Yalnızca 280 attosaniye veya saniyenin milyarda birinin milyarda biri uzunluğunda ve atom kimyası yönlendiren elektronların en hızlı hareketlerini ilk kez ortaya çıkarabilen güçlü düşük enerjili X-ışını lazer darbeleri üretir. Bu çizim, bilim adamlarının SLAC'ın Linac Tutarlı Işık Kaynağındaki bir elektron demetini (soldaki mavi şekil) dar bir akım artışına (sağda mavi şekil) dönüştürmek için bir dizi mıknatısı nasıl kullandıklarını gösterir, bu da daha sonra çok yoğun bir attosaniye X-ışını üretir flaş (sarı). Kredi: Greg Stewart/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı

2018’de, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, yüzlerce attosaniye (veya saniyenin milyarda birinin milyarda biri) süren X-ışını lazer patlamaları üretmenin bir yolunu geliştirdi. X-ışını lazerle geliştirilmiş attosaniye darbe üretimi (LEAP) biraz tanıyalım. Bu işlem bilim adamlarının moleküllerin etrafında yarışan elektronların biyoloji, kimya, malzeme bilimi ve diğer alanlardaki temel olayları nasıl tetiklediğini incelemelerini sağlayan bir teknolojidir.

SLAC bilim adamı James Cryan, ”Elektron hareketi, doğanın enerjiyi hareket ettirebileceği önemli bir süreçtir” diyor. “Bir molekülün bir bölümünde bir yük oluşturulur ve molekülün başka bir bölümüne aktarılır ve potansiyel olarak kimyasal bir reaksiyonu başlatır. Yapay fotosentez veya bir molekül içindeki yük transferi için fotovoltaik cihazlar hakkında düşünmeye başladığınızda bulmacanın önemli bir parçası.”

Slac’ın Linac Coherent Light Source(LCLS) da bulunan araştırmacılar, bir moleküldeki elektronları sarsmak, uyarılmış bir kuantum durumu oluşturmak ve elektronların bu durumda nasıl davrandıklarını daha önce görülmemiş ayrıntılarla ölçmek için attosaniye darbeleri kullandılar. Bulgular yakın zamanda Science dergisinde yayınlandı.
SLAC’DEN XLEAP proje lideri Agostino Marinelli, “XLEAP, moleküllerin derinliklerine bakmamızı ve elektron taşınımını doğal zaman ölçeğinde izlememizi sağlıyor” diye açıklıyor. “Bu, elektronların sıklıkla dahil olduğu çeşitli önemli kuantum mekanik olaylara ışık tutabilir.”

SLAC Attosecond X Ray Pulses Graphic
Bu deneyde, araştırmacılar nitrik oksit moleküllerini bir X-ışını darbesi ile vurarak elektronları normal konumlarından çıkarıp oldukça uyarılmış bir elektron bulutu haline getirdiler. Daha sonra ne olduğunu ölçmek için dairesel polarize lazerli ultra hızlı bir saat yarattılar. Elektron bulutu, dedektöre inmeden önce lazer alanı tarafından dönen hızlı elektronları saçarak bozundu. Elektronların dedektöre düştüğü konum, araştırmacıların elektron bulutunun nasıl değiştiğini anlamalarına yardımcı oldu. Bulutun, saniyenin milyarda birinin yalnızca birkaç milyonda biri boyunca benzersiz bir kuantum biçiminde hareket ettiğini gördüler. Kredi: Greg Stewart/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı

 

Elektronik Mesajlaşma Sistemleri

LCLS gibi X-ışını serbest elektron lazerleri, mümkün olan en kısa darbeler olan attosaniye darbeleri yayar. LEAP projesi, karbon, azot ve oksijen gibi en önemli minik atomların içine bakmak için doğru dalga boyunda attosaniye darbeleri üreterek bir ilki gerçekleştirdi. XLEAP darbeleri, ultra hızlı enstantane hızlarına sahip kameralar gibi, elektron ve diğer hareketleri daha önce çözülemeyen çok hızlı bir zaman ölçeğinde yakalayabilir.

X-ışını darbeleri madde ile temas ettiğinde, numunenin çekirdek uyarılmış durumlar olarak bilinen en güvenli şekilde bağlanmış çekirdek elektronlarından bazılarını uyarabilirler. Çekirdek uyarılmış haller, yüksek enerjileri nedeniyle aşırı derecede kararsızdır ve genellikle Auger-Meitner elektronu olarak bilinen hızlı bir elektron şeklinde enerjiyi serbest bırakarak hızla bozunurlar. Bu süreç daha önce Auger Bozunumu olarak biliniyordu, ancak bilim adamları son zamanlarda çağdaş atom fiziğine katkılarından dolayı onu tespit eden ilk kişi olan Lise Meitner’ın adını eklemeye karar verdiler.

Araştırmacılar, LCLS X-ışınlarının dalga boyunu, maddenin dalgacık doğasının bir tezahürü olan tutarlı bir süperpozisyon olarak adlandırılan kuantum bir madde durumu oluşturmak için değiştirdiler. Uyarılmış elektronlar, aynı anda hem ölü hem de canlı olan Schrödinger’in kedisine benzer şekilde, aynı anda belirsiz çekirdek uyarılmış durumlardı. Bu, aynı anda molekülün farklı yörüngelerde yörüngesinde oldukları anlamına gelir.

Araştırmacılar, çekirdek uyarılmış durumların bu tutarlı süperpozisyonunun zaman içinde nasıl geliştiğini izlemek için saat ibresi olarak dairesel polarize bir lazer darbesinden hızla dönen bir elektrik alanı kullanan ‘attoclock’ adı verilen ultra hızlı bir saat oluşturdular. Dairesel polarize lazer darbesi, dedektöre yerleşmeden önce çekirdek uyarılmış durumların ölümü sırasında yayılan Auger-Meitner elektronlarını döndürdü. Bir elektronun molekülden atıldığı an, detektöre indiği pozisyon tarafından belirlendi. Araştırmacılar, birkaç Burgu-Meitner elektronunun ejeksiyon periyotlarını ölçerek, tutarlı süperpozisyon durumunun sadece birkaç yüz attosaniyelik bir zaman çözünürlüğü ile nasıl değiştiğine dair bir resim oluşturabildiler.

Lider yazar ve SLAC bilimcisi Siqi Li, “Bu süreci ilk kez izleyebildik ve elektron emisyon oranını doğrudan ölçebildik” diye açıklıyor. “Teknolojimizle, molekülde saniyenin milyarda birinin birkaç milyonda birinde meydana gelen ayrıntılı elektron aktivitesini gözetleyebiliriz.”. sadece süreci gözlemlemekten ziyade.” Molekülün içinde neler olup bittiğini çok kısa bir zaman çizelgesinde görmek için bize harika bir yöntem sunuyor.”

Araştırmacılar şimdi bu deney için bir takip olarak daha karmaşık kuantum davranışının daha ileri ölçümleri üzerinde çalışıyorlar.

SLAC bilimcisi ve ortak yazar Taran Driver, “Bu deneyde neredeyse bir kalem ve kağıtla çözebileceğiniz gerçekten basit bir modelin elektronik davranışına bakıyoruz” diyor. “Şimdi bu ultra hızlı gözlemleri yapabileceğimizi gösterdiğimize göre, bir sonraki adım teorilerin henüz yeterince tarif edemediği daha karmaşık fenomenleri araştırmak.”
Cryan, daha hızlı zaman çizelgelerinde ölçüm yapma kapasitesinin büyüleyici olduğunu, çünkü kimyasal reaksiyondaki ilk olayların daha sonra ne olacağını bilmenin anahtarını içerebileceğini savunuyor.

“Bu, bu ultrashort X-ışını darbelerinin ilk kez çözülmüş uygulamasıdır” diye açıklıyor. “Gelecek yıllar boyunca birçok insanın merakını uyandıracak bilim dünyasında popüler olma potansiyeline sahip.”

Kaynak: thespaceacademy

Benzer Reklamlar

İlk yorum yapan olun

Yorumunuz