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Shine light on an atom and its electrons respond. At the FERMI free-electron laser in Trieste, Italy, a team led by Ulli Eichmann of the Max Born Institute in Berlin has shown that it can steer that response with extreme ultraviolet light (XUV). By changing the phase of the pulses, the researchers decided whether two quantum routes inside a helium atom reinforced each other or cancelled out. The work is published in Nature Photonics.
Basta con iluminar un átomo para que sus electrones respondan. En el láser de electrones libres FERMI, en Trieste (Italia), un equipo dirigido por Ulli Eichmann, del Instituto Max Born de Berlín, ha demostrado que es posible orientar esa respuesta con luz ultravioleta extrema (XUV). Al cambiar la fase de los pulsos, los investigadores decidieron si dos rutas cuánticas dentro de un átomo de helio se reforzaban o se anulaban. El trabajo se publica en Nature Photonics.
Quantum mechanics allows a process to happen along several paths at once. An electron can reach the same final state by different routes, and those routes either add up or cancel, much like overlapping ripples on the surface of water. The researchers created two competing routes to excite a bound state in helium, using a method called stimulated Raman excitation with XUV pulses. Matthieu Génévriez, a researcher at UCLouvain and one of the authors, describes the effect in plain terms: “it's a little bit as if we could eject an electron from an atom and then bring it back home with light.”
La mecánica cuántica permite que un proceso ocurra por varios caminos a la vez. Un electrón puede llegar al mismo estado final por rutas distintas, y esas rutas se suman o se anulan, como las ondas superpuestas en la superficie del agua. Los investigadores crearon dos rutas en competencia para excitar un estado ligado en el helio, mediante un método llamado excitación Raman estimulada con pulsos XUV. Matthieu Génévriez, investigador de la UCLouvain y uno de los autores, describe el efecto en términos sencillos: «es un poco como si pudiéramos expulsar un electrón de un átomo y luego devolverlo a casa con la luz».
Visible and infrared lasers have been the workhorses of this kind of probing for decades. Stimulated Raman scattering and related techniques already follow chemical reactions and electronic motion with those wavelengths. Extending them into the XUV, a region the team calls a long-standing challenge, required a light source few facilities can provide. Eichmann says the experiment shows the methods “can now be brought into the extreme ultraviolet,” opening “new possibilities for imaging and manipulating matter with unprecedented spatial resolution.”
Durante décadas, los láseres visibles e infrarrojos han sido la herramienta principal de este tipo de sondeo. La dispersión Raman estimulada y técnicas afines ya siguen las reacciones químicas y el movimiento electrónico con esas longitudes de onda. Extender estas técnicas al XUV, una región que el equipo califica de reto de larga data, requería una fuente de luz que pocas instalaciones pueden ofrecer. Eichmann afirma que el experimento demuestra que los métodos «ahora pueden llevarse al ultravioleta extremo», abriendo «nuevas posibilidades para la obtención de imágenes y la manipulación de la materia con resolución espacial sin precedentes».
For chemists and materials scientists, the appeal lies in the element-specific nature of the light. XUV and X-ray photons reach electrons close to atomic nuclei, where each chemical element carries its own electronic fingerprint. The team believes the concepts shown here could eventually lead to a new generation of imaging and spectroscopy tools, able to track electronic motion and chemical transformations at the smallest scales. It has not published a timeline for such instruments, and the experiment is a laboratory demonstration carried out on helium alone.
Para químicos y científicos de materiales, lo atractivo está en la naturaleza específica por elemento de esta luz. Los fotones XUV y de rayos X alcanzan los electrones cercanos a los núcleos atómicos, donde cada elemento químico tiene su propia huella electrónica. El equipo cree que los conceptos mostrados aquí podrían dar lugar, con el tiempo, a una nueva generación de herramientas de imagen y espectroscopia, capaces de seguir el movimiento electrónico y las transformaciones químicas a la escala más pequeña. No ha publicado ningún plazo para tales instrumentos, y el experimento es una demostración de laboratorio realizada solo con helio.