O emaranhamento é um fenômeno estranho na física quântica, onde duas partículas estão inerentemente conectadas uma à outra, não importa a distância entre elas. Quando uma é medida, a outra medida é instantaneamente dada. Pesquisadores da Universidade de Purdue propuseram uma abordagem nova e não convencional para gerar uma fonte de luz especial composta de fótons emaranhados. Em 6 de setembro de 2022, eles publicaram suas descobertas na Physical Review Research .
A equipe propôs um método para gerar fótons emaranhados em comprimentos de onda ultravioleta extremo (XUV) onde tal fonte não existe atualmente. Seu trabalho fornece um roteiro sobre como gerar esses fótons emaranhados e usá-los para rastrear a dinâmica dos elétrons em moléculas e materiais nas escalas de tempo incrivelmente curtas de attosegundos.

"Os fótons emaranhados em nosso trabalho têm a garantia de chegar a um determinado local em uma duração muito curta de attosegundos, desde que percorram a mesma distância", diz o Dr. Niranjan Shivaram, professor assistente de Física e Astronomia. "Essa correlação em seu tempo de chegada os torna muito úteis para medir eventos ultrarrápidos. Uma aplicação importante é na metrologia de attossegundos para aumentar os limites de medição dos fenômenos de menor escala de tempo. Essa fonte de fótons emaranhados também pode ser usada em imagens quânticas e espectroscopia , onde fótons emaranhados demonstraram aumentar a capacidade de obter informações, mas agora em comprimentos de onda XUV e até raios-X".

Os autores da publicação, intitulada "Attosecond emaranhado de fótons de decaimento de dois fótons de átomos metaestáveis:uma fonte para experimentos de attosegundo e além", são todos do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Purdue e trabalham com o Instituto de Engenharia e Ciência Quântica de Purdue. (PQSEI). São eles o Dr. Yimeng Wang, recém-formado pela Purdue University; Siddhant Pandey, Ph.D. candidato na área de espectroscopia experimental ultrarrápida; Dr. Chris H. Greene, Albert Overhauser Distinguido Professor de Física e Astronomia; e Dr. Shivaram.

"O Departamento de Física e Astronomia de Purdue tem um forte programa de física atômica, molecular e óptica (AMO), que reúne especialistas em vários subcampos da AMO", diz Shivaram. "O conhecimento especializado de Chris Greene em física atômica teórica combinado com a formação de Niranjan no campo relativamente jovem da ciência experimental de attosegundos levou a este projeto colaborativo. ciência AMO."

Cada pesquisador desempenhou um papel significativo nesta pesquisa em andamento. Greene inicialmente sugeriu a ideia de usar fótons emitidos por átomos de hélio como fonte de fótons emaranhados e Shivaram sugeriu aplicações para attosecond ciência e esquemas experimentais propostos. Wang e Greene então desenvolveram a estrutura teórica para calcular a emissão de fótons emaranhados de átomos de hélio, enquanto Pandey e Shivaram fizeram estimativas das taxas de emissão/absorção de fótons emaranhados e elaboraram os detalhes dos esquemas experimentais de attossegundos propostos.

A publicação marca o início desta pesquisa para Shivaram e Greene. Nesta publicação, os autores propõem a ideia e trabalham os aspectos teóricos do experimento. Shivaram e Greene planejam continuar a colaborar em ideias experimentais e teóricas adicionais. O laboratório de Shivaram, o Ultrafast Quantum Dynamics Group, está atualmente construindo um aparato para demonstrar experimentalmente algumas dessas ideias. Segundo Shivaram, a esperança é que outros pesquisadores da ciência do attosegundo comecem a trabalhar nessas ideias. Um esforço conjunto de muitos grupos de pesquisa poderia aumentar ainda mais o impacto deste trabalho. Eventualmente, eles esperam reduzir a escala de tempo dos fótons emaranhados para o zeptosegundo, 10 ^-21 segundos.

"Normalmente, experimentos em escalas de tempo de attossegundos são realizados usando pulsos de laser de attossegundos como 'estroboscópios' para 'imagem' dos elétrons. Os limites atuais desses pulsos são de cerca de 40 attossegundos. zeptosegundos", diz Shivaram.

Para entender o tempo, é preciso entender que os elétrons desempenham um papel fundamental na determinação do comportamento de átomos, moléculas e materiais sólidos. A escala de tempo do movimento dos elétrons é normalmente em femtossegundos (um milionésimo de bilionésimo de segundo—10 ^-15 segundos) e attosegundo (um bilionésimo de bilionésimo de segundo, ou 10 ^-18 segundos) escala. De acordo com Shivaram, é essencial obter informações sobre a dinâmica dos elétrons e rastrear seu movimento nessas escalas de tempo ultracurtas.

"O objetivo do campo da ciência ultrarrápida é fazer esses 'filmes' de elétrons e depois usar a luz para controlar o comportamento desses elétrons para projetar reações químicas, fabricar materiais com novas propriedades, fabricar dispositivos em escala molecular etc." ele diz. "Esta é a interação luz-matéria em seu nível mais básico, e as possibilidades de descoberta são muitas. Um único zeptosegundo é 10 ^-21 segundos. Mil zeptosegundos é um attosegundo. Os pesquisadores só agora estão começando a explorar o fenômeno do zeptosegundo, embora esteja experimentalmente fora de alcance devido à falta de pulsos de laser de zeptosegundo. Nossa abordagem única de usar fótons emaranhados em vez de fótons em pulsos de laser pode nos permitir atingir o regime de zeptossegundos. Isso exigirá um esforço experimental considerável e provavelmente será possível no prazo de cinco anos." + Explore mais

Lasers de elétrons livres de raios X de attosegundo de alto brilho baseados no controle de frente de onda