Έλεγχος των κβαντικών τροχιών ηλεκτρονίων σε άτομα και νέες δυνατότητες εφαρμογών στη νανο-απεικόνιση

Ομάδα ερευνητών του Ινστιτούτου Φυσικής Πλάσματος και Laser (IPPL, ippl.hmu.gr) του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστήμιου και του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων κατάφεραν να ελέγξουν τις κβαντικές τροχιές των εξωτερικών ηλεκτρονίων του ατόμου του Αργού με τη χρήση κατάλληλα διαμορφωμένων υπερβραχέων παλμών laser. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στις 13/12/2021 στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό NATURE – Scientific Reports (DOI:10.1038/s41598-021-03424-3)^*.

Το ηλεκτρικό πεδίο ενός laser μπορεί να είναι τόσο ισχυρό, ώστε να είναι συγκρίσιμο με το πεδίο Coulomb που συγκρατεί τα ηλεκτρόνια στα άτομα (περίπου δέκα εκατομμύρια Volt/m). Όταν ένα τέτοιο ισχυρό πεδίο αλληλεπιδρά με τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων τα εκτοξεύει σχεδόν ακαριαία έξω από τα άτομα, ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως κβαντικός ιονισμός σήραγγας. Καθώς το ηλεκτρικό πεδίο του laser είναι εναλλασσόμενο αλλάζει φορά στο μισό της περιόδου του, και τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν ταχύτατα στη περιοχή του πυρήνα του ατόμου όπου μπορεί να συλληφθούν από αυτόν. Κατά τη σύλληψη τους από τον πυρήνα η ενέργεια που έχουν αποκτήσει εκπέμπεται με τη μορφή σύμφωνης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας μέχρι και την περιοχή των «μαλακών» ακτίνων–Χ. Το φαινόμενο είναι γνωστό ως γένεση υψηλών αρμονικών. 

Υπάρχει μια φασματική περιοχή των αρμονικών αυτών (περιοχή ακραίου υπεριώδους κενού – XUV), όπου όλες οι αρμονικές έχουν περίπου ίδια και σχετικά ισχυρή ένταση. H σύμφωνη αυτή ακτινοβολία, πέραν του ότι διαρκεί λιγότερο από ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, προσφέρει εξαιρετική χωρική διακριτική ικανότητα με άμεσες εφαρμογές στην απεικόνιση των νανοδομών της σύγχρονης νανοτεχνολογίας. Για την παραγωγή κάθε μιας από τις παραπάνω αρμονικές εμπλέκονται τροχιές ηλεκτρονίων με διαφορετικό μήκος κβαντικής τροχιάς. Ωστόσο, η ύπαρξη διαφορετικών τροχιών αλλοιώνει τόσο τα γεωμετρικά όσο και τα φασικά χαρακτηριστικά της παραγόμενης ακτινοβολίας, γεγονός που έχει συνέπειες στην αποδοτικότητα απεικόνισης των νανοδομών. Είναι λοιπόν ζητούμενο η εύρεση μιας απλής και έξυπνης μεθόδου ελέγχου των τροχιών των ηλεκτρονίων ώστε οι αρμονικές να παράγονται από κβαντικές ηλεκτρονικές τροχιές παρομοίου μήκους.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε την ιδέα της κατάλληλης αναδιάταξης στον χρόνο των «χρωμάτων» (συχνοτήτων) υπερβραχέων παλμών ειδικού συστήματος laser του IPPL στο Ρέθυμνο. Οι παλμοί αυτοί έχουν ευρύ φάσμα συχνοτήτων στην περιοχή του υπέρυθρου. Έτσι το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο του laser άλλαζε συνεχώς «χρώμα» μέσα στην εξαιρετικά μικρή διάρκεια του κάθε παλμού. Αυτή η υπερταχεία αλλαγή συχνότητας (μέσα σε μερικές δεκάδες τετράκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου) έδωσε τη δυνατότητα στους ερευνητές να πετύχουν τον έλεγχο, και τελικά τον κατάλληλο περιορισμό, του εύρους μηκών των κβαντικών ηλεκτρονικών τροχιών γύρω από το άτομο του Αργού. Με αυτό τον τρόπο παράχθηκε σύμφωνη ακτινοβολία XUV με εξαιρετικές γεωμετρικές και φασικές ιδιότητες που αναμένεται να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον για αποδοτική χωροχρονική απεικόνιση νανοδομών και νανοδιατάξεων, αλλά και βιομορίων, μικροβίων και ιών.  

Τη δημοσίευση συνυπογράφουν πέντε Έλληνες επιστήμονες, ο υποψήφιος διδάκτορας Στυλιανός Πετράκης (Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων και ΕΛΜΕΠΑ), ο Αναπληρωτής Καθηγητής Ευθύμιος Μπακαρέζος (ΕΛΜΕΠΑ), ο Καθηγητής Μιχάλης Ταταράκης (ΕΛΜΕΠΑ, Διευθυντής του IPPL), ο Αναπληρωτής Καθηγητής Μανώλης Μπενής (Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων) και ο Καθηγητής Νεκτάριος Παπαδογιάννης (ΕΛΜΕΠΑ) που είναι και ο επιστημονικός υπεύθυνος της συγκεκριμένης έρευνας.

Η Έρευνα υλοποιήθηκε στο πλαίσιο της Δράσης ΕΡΕΥΝΩ – ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ - ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ και συγχρηματοδοτήθηκε από το Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης (ΕΤΠΑ) της Ευρωπαϊκής Ένωσης και εθνικούς πόρους μέσω του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα & Καινοτομία (ΕΠΑνΕΚ) (κωδικός έργου:Τ1ΕΔΚ- T1EDK-04549, «Ανάπτυξη συστήματος πολυφασματικής μικροσκοπίας στην περιοχή των ακτίνων-Χ».

* S. Petrakis, M. Bakarezos, M. Tatarakis, E. P. Benis, & N. A. Papadogiannis, Electron quantum path control in high harmonic generation via chirp variation of strong laser pulses, Scientific Reports 11 23882, (2021) | https://doi.org/10.1038/s41598-021-03424-3