Laboratorij za kvantno optiko

Proženje prepovedanih pojavov z zavitimi žarki svetlobe in delcev

CILJ PROJEKTA

Cilj projekta je generirati zavite žarke svetlobe v spektralnem območju ekstremne ultravijolične svetlobe in zavite elektronske žarke. Z zavrtenimi fotonskimi in elektronskimi žarki nameravamo izvesti poskuse na različnih tarčah, pri čemer pričakujemo, da bodo zaradi dodatne prostostne stopnje – tirne vrtilne količine – opazljivi pojavi, ki presegajo standardne učinke pri interakciji svetlobe ali elektronov z atomi.

POVZETEK

Proučevanje mikroskopskih lastnosti snovi preko interakcij s fotoni in drugimi delci predstavlja neprecenljiv vir podatkov, ki so uporabni v vrsti znanstvenih disciplin, npr. v kemiji, biologiji ali fiziki, in na različnih tehnoloških področjih. Fotoni in delci, kot so npr. elektroni in protoni, lahko predajo atomom na poti skozi snov energijo in gibalno količino, pa tudi spinsko in tirno vrtilno količino. Medtem ko je spinska vrtilna količina (SVK) žarka povezana z njegovo polarizacijo, je tirna vrtilna količina (TVK) odvisna od prostorskega profila žarka. Tako nosijo npr. žarki, katerih valovne fronte imajo obliko vijačnice, dobro določeno TVK v smeri žarka, glej spodnjo sliko.

Struktura fotonskih/elektronskih žarkov s TVK. Funkcija ψ opisuje bodisi električno polje, bodisi valovno funkcijo elektrona, pri čemer je φ polarni kot v prečni ravnini glede na smer žarka. V zgornjem levem kotu so za primerjavo prikazani profil in valovne fronte “standardnega” Gaussovega žarka z ℓ = 0. Žarki, ki nosijo TVK (ℓ=-2,-1,1,2), imajo zavite valovne fronte in intenzitetni profil, ki ima obliko obroča, katerega premer narašča z naraščujočim topološkim nabojem ℓ. Avtor slike: E. Karimi.

Zaviti žarki svetlobe ali delcev nosijo TVK, ki je kvantizirana v enotah |ℓ|ћ na foton/delec (poleg SVK), kjer je ℓ topološki naboj (glej zgornjo sliko). Ko snov vzbujamo s takšnimi žarki, veljajo drugačna izbirna pravila, kar omogoča, da lahko razširimo študij osnovnih lastnosti in zakonitosti snovi na stanja, ki prej niso bila dostopna. Zavite žarke z dobro določeno TVK lahko uporabimo za učinkovitejše proučevanje lokalne simetrije, sučnosti in magnetnih lastnosti vzorca.

V zadnjem času so žarke svetlobe s TVK generirali v vidnem spektru. Po drugi strani pa so za podrobno strukturno analizo in za študij hitrih (prehodnih) procesov v snovi potrebni novi pulzni viri, ki delujejo na področju ekstremne ultravijolične svetlobe (XUV) in na rentgenskem področju – torej viri HHG (high-order harmonic generation, HHG) in laserji na proste elektrone (FEL). Zato ni presenetljivo, da potekajo na področju generiranja kratkovalovnih žarkov s TVK poglobljene študije, ki jih izvajajo številne skupine po svetu.

V nasprotju s fotonskimi žarki so zavite elektronske žarke generirali šele pred kratkim. Teoretično so pokazali, da so elektronski žarki, ki nosijo TVK, uporabni za študij prehodov med magnetnimi podnivoji, ki jih navadno proučujemo s krožno polarizirano svetlobo. Pri tem je prednost proučevanja z elektronskim curkom visoka prostorska ločljivost na skali posameznih atomov. Elektronski žarki, ki nosijo visoko TVK (~ 200ћ), bi lahko bili uporabni za slikanje magnetnih pojavov v snovi na atomski skali.

V okviru projekta bomo pokazali, da je s svetlobnimi viri HHG in FEL možno generirati žarke s TVK na področju XUV. Poleg tega bomo izdelali vir, s katerim bomo generirali zavrtene elektronske žarke. Z zavrtenimi fotonskimi in elektronskimi žarki nameravamo izvesti poskuse na različnih tarčah, pri čemer pričakujemo, da bodo zaradi dodatne prostostne stopnje – TVK – opazljivi pojavi, ki presegajo standardne učinke pri interakciji svetlobe ali elektronov z atomi. Pri tem je eden od pomembnih ciljev predlaganega projekta proučiti, kako se TVK z zavrtenih žarkov prenaša na kvantnomehanske sisteme. Proučili bomo različne načine s katerimi bomo ugotavljali, kateri zakoni veljajo pri prenosu TVK na atome.

Znanstveni cilji projekta:

  • Pokazati želimo, da je mogoče z viri HHG in FEL generirati koherentne žarke z nastavljivimi lastnostmi na področju XUV, ki nosijo TVK, in proučiti lastnosti generirane svetlobe.
  • Izdelati nameravamo vir elektronov, s katerim bo možno generirati žarke s TVK, in proučiti njihove lastnosti.
  • Fotonske in elektronske zavrtene žarke nameravamo uporabiti pri izvedbi pilotnih poskusov na atomskih tarčah. Ti poskusi predstavljajo nujen korak in so manjkajoči člen na poti do poskusov s kompleksnimi tarčami, npr. z molekulami, s površinami in trdno snovjo. Pri tem bomo obravnavali zakone, ki določajo, kako učinkovit je prenos TVK na atome (oz. na snov).

FAZE PROJEKTA

A1: Generiranje svetlobe semenskega (Ti:Sa) laserja s TVK. Razvoj diagnostike, potrebne za detekcijo svetlobe s TVK. Zaključeno.

B1/B2: Načrtovanje/izvedba koherentnega vira elektronov. Zaključeno.

PROJEKTNA SKUPINA (SICRIS)

prof. dr. Giovanni De Ninno (UNG)
dr. Barbara Ressel (UNG)
dr. Ganesh Adhikary (UNG)
Matija Stupar (UNG)

dr. Matjaž Žitnik (IJS)
dr. Andrej Mihelič (IJS)
dr. Klemen Bučar (IJS)

FINANCIRANJE

Projekt financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije.