Los átomos y moléculas de Rydberg se caracterizan por tener uno o más electrones en estados ligados altamente excitados. Se dice que tales átomos y moléculas están en «estados de Rydberg» y también se denominan átomos y moléculas «huecos». Los estados de Rydberg son útiles para estudiar varios fenómenos que surgen en la interacción luz-materia intensa que involucran excitación electrónica con un pulso láser intenso a través de procesos ópticos como «excitación resonante multifotónica» e «ionización de túnel frustrado».
En la excitación resonante multifotónica, los átomos o las moléculas se excitan hasta los estados de Rydberg mediante la absorción de múltiples fotones (unidades de radiación electromagnética). Por el contrario, los estados de Rydberg inducidos por ionización de tunelización frustrada resultan de una interacción entre el electrón y el intenso campo eléctrico del láser. Por lo tanto, tanto el fotón láser como el campo láser contribuyen conjuntamente al proceso de excitación del estado de Rydberg (RSE). Sin embargo, hasta ahora no se ha determinado experimentalmente el alcance de las contribuciones individuales de estos dos efectos.
Ahora, en un estudio publicado en Fotónica avanzadaun equipo de investigadores dirigido por el profesor Jian Wu de la Universidad Normal de China Oriental ha desarrollado un método experimental para aislar los efectos de cada mecanismo en RSE.
Su método consiste en excitar las moléculas de hidrógeno a los estados de Rydberg mediante el control del efecto fotónico y el efecto de campo utilizando un campo láser bicircular de dos colores (BCTC), un tipo de campo láser que se genera al combinar dos rayos láser polarizados circularmente con diferentes frecuencias. El uso de dos rayos láser permitió a los investigadores ajustar la energía de los fotones que se utilizan para excitar los átomos de hidrógeno.
Además, al cambiar la helicidad del campo BCTC, pudieron activar y desactivar los procesos de recaptura de electrones, manipulando el efecto de campo. Por lo tanto, pudieron generar estados de Rydberg mientras variaban la medida en que cada efecto contribuía al proceso. Luego, los investigadores determinaron en qué medida los procesos de excitación de campo y absorción de fotones contribuyeron a RSE comparando los rendimientos del estado de Rydberg para diferentes polarizaciones y recuentos de fotones.
«Al ajustar con precisión la intensidad de campo relativa de los dos colores, pudimos manipular la forma de onda del campo láser y la cantidad de fotones que participan en los procesos RSE y, a su vez, las contribuciones relativas de los efectos de campo y fotones», explica Hongcheng. Ni, el co-autor correspondiente de la obra.
En su configuración experimental, los campos láser BCTC se generaron mediante la combinación de un pulso láser de onda fundamental (FW) y un pulso de segundo armónico (SH) con el doble de la frecuencia fundamental. Estos pulsos se combinaron utilizando un espejo dicromático para generar campos láser de dos colores en sentido contrario o co-rotativos. Luego, estos pulsos se enfocaron en un chorro supersónico de gas hidrógeno dentro de un microscopio de reacción para crear estados Rydberg de moléculas de hidrógeno.
Los investigadores encontraron que el aumento de la fuerza relativa del campo SH (con fotones dos veces más energéticos que el campo FW) condujo a un rendimiento general creciente de los estados de Rydberg, lo que indica un papel importante del efecto del fotón. Además, cambiar la polarización del campo BCTC de corrotante a contrarrotante también condujo a un aumento en el rendimiento del estado de Rydberg. Los investigadores atribuyeron esta observación a la supresión del efecto de campo de los campos co-rotativos.
El estudio experimental proporciona información importante sobre RSE en un campo láser intenso con implicaciones potenciales para una amplia gama de campos, incluida la física cuántica, la química y la astrofísica. «Los átomos y las moléculas de Rydberg tienen el potencial de servir como bloques de construcción para tecnologías avanzadas relacionadas con la información cuántica, la óptica no lineal cuántica, las interacciones de muchos cuerpos de largo alcance y las mediciones de precisión. En este sentido, nuestro estudio puede ofrecer una ruta prometedora para manipular y optimizar los rendimientos de RSE bajo intensas excitaciones de campo láser», dice Wenbin Zhang, el primer autor y coautor correspondiente del trabajo.
Más información:
Wenbin Zhang et al, excitación del estado de Rydberg en moléculas manipuladas por pulsos láser bicirculares de dos colores, Fotónica avanzada (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.1.016002
Citación: Los investigadores exploran los efectos cuánticos de la luz en la creación de estados de Rydberg en moléculas de hidrógeno (11 de enero de 2023) recuperado el 11 de enero de 2023 de https://phys.org/news/2023-01-explore-quantum-effects-creation-rydberg .html
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