Группе ученых-физиков из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (Ludwig Maximilians Universitat Munchen, LMU Munich) и Института квантовой оптики Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics, MPQ) удалось измерить время между моментом удара фотона света в атом гелия и моментом высвобождения одного из электронов этого атома с точностью одной зептосекунды (триллионной миллиардной доли секунды, 10⁻²¹). И это является первым разом в истории науки, когда промежуток времени был измерен с такой беспрецедентно высокой точностью.

Явление, о котором шла речь выше, называется фотоионизацией. В результате поглощения и квантового перераспределения энергии внутри атома после удара по нему фотона света один из электронов покидает пределы атома и атом превращается в ион. В случае атома гелия энергия фотона распределяется между двумя электронами или полностью поглощается одним из них. Но результат в обоих случаях всегда одинаков – один из электронов покидает пределы атома. В данном процессе работают не только принципы обычной, но и квантовой механики, и поэтому высокоточное измерение времени явления фотоионизации дает ученым в руки подтверждения некоторых аспектов квантовой теории.

Изгнание электрона из атома в результате явления фотоионизации называется фотоэмиссией, фотоэлектрическим эффектом, определенным в статье Альберта Эйнштейна в 1905 году. Это явление служит подтверждением тому, что энергия света передается в виде дискретных пакетов, а все это вместе взятое является одной из основ современной квантовой теории.

Для того, чтобы увидеть явление фотоионизации требуются высокоэнергетические лазеры и

камеры с невероятно высокой скоростью съемки

. Уровень энергии, требующийся для фиксации явления фотоионизации, находится в районе единиц и десятков мегаэлектронвольт (MeV), а время, за которое происходит явление, находится в пределах 5^-15 аттосекунд (аттосекунда – 10^-18 секунды).

Естественно, что для того, чтобы зафиксировать столь быстротечные процессы, требуется особая камера. Даже такие высокоскоростные камеры, как японская система STAMP, способные фиксировать изображения в пределах фемтосекунд (10⁻¹⁵ секунды), слишком медленны. Новая система, разработанная физиками из Мюнхена, работает на порядки быстрее, позволяя фиксировать события, длящиеся около 850 зептосекунд.

Для того, чтобы получить такую высокую скорость съемки, исследователи использовали аттосекундные импульсы света ультрафиолетового лазера, которые смешивались с импульсами инфракрасного лазера, длительностью в четыре фемтосекунды. Этот суммарный импульс и ударял в наблюдаемый атом гелия, а факт изгнания из него электрона моментально фиксировался при помощи инфракрасного лазерного импульса. Меняя характеристики переменного электромагнитного поля высокоэнергетического ультрафиолетового лазерного импульса, изгоняемый электрон или ускорялся или замедлялся, а изменения этой скорости позволили ученым вычислить время явления фотоионизации с точностью до зептосекунды.

Данный эксперимент имеет весьма важное значение для области квантовой механики, ведь ученым впервые удалось установить, что энергия фотона, поглощенная атомом гелия, имеет квантовую природу, и ее количество распределяется между двумя электронами в полном соответствии с постулатами квантовой теории. Атомы гелия были выбраны для этих экспериментов далеко не случайно, их простое строение позволяет вычислить их свойства и поведение в тех или иных случаях с достаточно высокой точностью. А измерение явления фотоионизации с точностью в зептосекунду означает окончательное подтверждение соответствия между теорией и экспериментами.