Een onderzoeksteam van de Universiteit van Uppsala in Zweden heeft onlangs een nieuwe tijdmeetmethode voorgesteld. Het grootste kenmerk is dat het niet nodig is om vooraf in het experiment het startmoment van de gebeurtenis te kennen, wat het 'nulpunt van de tijd' is in de traditionele zin van het woord. Deze methode is gebaseerd op het kwantumevolutiegedrag van heliumatomen in een sterk aangeslagen toestand. Door zijn karakteristieke ‘vingerafdruk’ te analyseren, die met de tijd verandert na bestraling met korte pulsen, kan hij direct de verstreken tijd aflezen, waardoor een nieuw tijdschaalinstrument ontstaat voor ultrasnelle fysische en chemische processen die het startmoment niet nauwkeurig kunnen bepalen.
In dit werk gebruikten de onderzoekers eerst korte lichtpulsen om heliumatomen in een reeks zogenaamde Rydberg-toestanden te exciteren en de atomen in een kwantum-superpositietoestand te brengen waarin meerdere Rydberg-toestanden over elkaar heen worden gelegd. De Rydberg-toestand is een soort atomaire aangeslagen toestand met extreem hoge energie en elektronen ver weg van de kern. Het is extreem gevoelig voor het milieu. Kwantumsuperpositie betekent dat atomen tegelijkertijd in meerdere kwantumtoestanden bestaan, en dat hun algehele evolutie in de loop van de tijd een complexe golfpakketstructuur zal vormen. De traditionele methode is om de tijd vanaf het moment van excitatie nauwkeurig te timen, maar het uitgangspunt van dit onderzoek is om na een bepaalde tijd een tweede lichtpuls toe te passen, de waarschijnlijkheid te meten dat de heliumatomen geïoniseerd zijn, dat wil zeggen elektronen verliezen en geladen ionen worden, en deze meetresultaten vervolgens te vergelijken met het theoretische model om de tijd af te leiden die is verstreken sinds de vorming van de Rydberg-toestand.
Johan Söderström, de leider van het onderzoeksteam, vergelijkt dit proces levendig met "het aflezen van een meetlint": je hoeft niet te zien hoe iemand begint met het meten van de afstand vanaf het nulpunt. Kijk maar naar de huidige meetwaarde en u weet of het afstandsverschil vanaf het startpunt 5 centimeter of 4000 meter is. Bij deze methode evolueert de superpositie van Rydberg-toestanden van heliumatomen in de loop van de tijd, waardoor een uniek veranderingspatroon op de waarneembare gegevens achterblijft: de zogenaamde tijdsvingerafdruk, die equivalent is aan de projectie van de evolutie van kwantumgolfpakketten in de observatieruimte. Door deze vingerafdruk te analyseren en te matchen met theoretische berekeningen, kunnen onderzoekers direct de specifieke ‘tijdsafstand’ uitlezen vanaf het genereren van het golfpakket tot het moment van observatie, simpelweg door binnen een beperkt tijdsvenster te observeren.
Het artikel wijst erop dat deze kwantumvingerafdruk zelf ook een ‘zelfcontrolerende’ functie heeft: de gedetailleerde structuur van het golfpakket dat in de loop van de tijd evolueert, zorgt voor een interne consistentiecontrole voor de overeenkomstige tijdschaal, waardoor de betrouwbaarheid van de meetresultaten wordt verbeterd. In termen van specifieke experimenten combineerde het team theoretische simulatie en tijdsopgeloste foto-elektronenspectroscopietechnologie, dat wil zeggen door gebruik te maken van twee lichtbundels met nauwkeurig gecontroleerde tijdsintervallen. Eén straal wordt gebruikt om heliumatomen te exciteren om Rydberg-toestandsgolfpakketten te vormen, en de andere straal wordt gebruikt om elektronen uit te schakelen en de evolutie van het foto-elektronensignaal in de loop van de tijd vast te leggen. De experimentele resultaten komen in hoge mate overeen met theoretische voorspellingen, wat aangeeft dat deze methode niet alleen tijdsinformatie kan verkrijgen, maar ook subtiele energieverschillen kan afleiden, zoals "kwantumdefecten" in de Rydberg-toestand van heliumatomen, waardoor het begrip van de atomaire structuur wordt verdiept.
De onderzoekers gebruikten opnieuw de analogie van een meetlint: bij het opnemen van korte afstanden hoeft slechts een klein deel van de meetschaal te worden afgelezen, terwijl het meten van lange afstanden een groter schaalbereik vereist. In overeenstemming met tijdmeting, als de gebeurtenis heel dicht bij het "onbekende startpunt" ligt, is alleen het observeren van de vingerafdrukken in een korter tijdsinterval voldoende om de tijd te herstellen; voor evoluties verder weg van het startpunt moeten vingerafdrukken in een langere tijdspanne worden vastgelegd om ervoor te zorgen dat de juiste tijdschaal overeenkomt. Daarom is deze methode geen enkel statisch meetproces, maar wordt de hoeveelheid gegevens die nodig is dynamisch aangepast aan de te meten tijdsduur, waardoor een flexibele kwantumtimingoplossing wordt geboden voor experimenten op verschillende tijdschalen.
Het is vermeldenswaard dat het meeste experimentele werk voor deze studie werd uitgevoerd in de HELIOS-faciliteit van het Ångström-laboratorium tijdens de coronaviruspandemie en in de context van de tijdelijke sluiting van enkele faciliteiten aan de Universiteit van Uppsala. In een relatief gesloten omgeving kon het team zich concentreren op het gebruik van experimentele tijd om herhaaldelijk de tijdvingerafdrukmethode te verifiëren en te optimaliseren. Nadat ze aanvankelijk hadden bewezen dat de methode haalbaar is, stelden de onderzoekers verder voor dat deze methode naar verwachting in de toekomst zal worden uitgebreid naar moleculaire systemen, zoals het bestuderen van het moleculaire dissociatieproces en de impact ervan op de Rydberg-toestand, om de universele toepasbaarheid van deze technologie in complexere fysieke systemen.
Hoewel deze nieuwe benadering conceptueel in staat is om een absolute tijdschaal te bieden, is deze niet bedoeld om de traditionele klokken die in het dagelijks leven worden gebruikt te vervangen. Het onderzoeksteam maakte duidelijk dat het geschikter is als speciaal hulpmiddel bij pompsondespectroscopie-experimenten voor scenario's waarin snelle procesevolutie moet worden waargenomen met een extreem korte tijdsresolutie. Bij dergelijke experimenten zet de eerste puls het proces in gang, en is de tweede puls verantwoordelijk voor het maken van een "tijdsmomentopname". Het startmoment is echter vaak moeilijk nauwkeurig te definiëren of zelfs direct waarneembaar. Verwacht wordt dat deze reeks kwantumvingerafdrukmethoden een absolute tijdschaal voor deze snelle processen zal opleveren zonder eerst het 'tijdsnulpunt' te bepalen.
Vanuit een breder perspectief biedt dit onderzoek een nieuw idee voor het meten van tijd onder de voorwaarde van ‘geen startpuntinformatie’, dat wil zeggen volledig vertrouwen op de evolutie van de kwantumtoestand zelf om tijdinformatie te coderen en decoderen, in plaats van traditionele telmechanismen te gebruiken. De onderzoekers wijzen erop dat deze methode niet geschikt is voor alle soorten tijdmetingen, maar dat het wel een extreem nauwkeurig en complementair instrument kan worden met unieke voordelen op experimentele gebieden waar het moeilijk is voor bestaande technologieën om het startmoment nauwkeurig vast te leggen, of bij het bestuderen van ultrasnelle processen in atomen en moleculen. Relevante resultaten zijn gepubliceerd in wetenschappelijke tijdschriften en trokken de aandacht van instellingen als de Universiteit van Uppsala en de American Physical Society. Het wordt beschouwd als een belangrijke verkenning in het onderzoekstraject van kwantumtijdmeting.