"Tavalisel kellal on alati mingisugune loendur ja nullpunkt, millest aega arvutama hakatakse. Kvantkell mõõdab aga ajavahemikku – me mõõdame siin aega vaadeldud protsessi ajalises mustri kordumatute sõlmede järgi ning selle jälje struktuurist saame täpselt öelda, kui palju aega on eksperimendi algusest möödunud," selgitas Marta Berholts, Tartu Ülikooli materjaliteaduse teadur, kes oli eksperimentide tegemise ajal Uppsala Ülikoolis järeldoktorantuuris.

Võrdlusena ei erine kaasaegse tsivilisatsiooni aluseks olevate aatomkellade tööpõhimõte sajandite eest valmistatud seinakellade omast. Silmale nähtavate pendlite asemel võetakse neis aga aluseks aatomite loomulikud võnkumised, enamasti tseesium-133 kahe põhioleku vahel. Kui võnkumisi on registreeritud teatud arvul, saab kokkuleppeliselt öelda, et möödunud on üks sekund, minut või tund.

Uus tehnika võiks olla eriliselt kasulik lühikeste ajavahemike mõõtmisel – femtosekundite skaalal. Kuigi inimeste jaoks võib tunduda üks femtosekund ehk 0,000 000 000 000 001 sekundit, hoomamatult lühikese ajaga, jõuavad liikuda elektronid selle ajaga märkimisväärse vahemaa.

Nõnda toimuvad samal ajaskaalal muu hulgas kiiremad keemilised reaktsioonid. "Kui meil on võimalus saavutada suurem täpsus sellisel lühikesel ajaskaalal, võiks soodustada see kvanttehnoloogiate edasist arengut. Mida täpsemalt me suudame filmida, mida elektronid teevad, seda parem," sõnas Berholts.

Kvantkella võlud ja vaevad

Marta Berholtsi ja ta kolleegide meetod põhineb end juba tõestanud pumba-sondi eksperimendil. Näiteks päikesepaneelis kasutatava materjali omaduste uurimiseks pommitatakse seda esmalt ülilühikese laserimpulssiga ning mõõdetakse seejärel viivitusega tuleva teise laserimpulsiga, kuidas esialgne ergastamine ainet mõjutas. "Tahtsime lihtsalt vaadata, kuidas aatomid laserikiirgusele reageerivad, mis toimub elektronidega jne. Me esialgu ei osanud kindlasti mõelda, et sellest võiks saada mingit sorti kvantkell," meenutas teadur.

Kvantkella saamiseks ergastas töörühm võimsa laseriga üheaegselt heeliumi aatomi mitmeid energiatasemeid. Selle tulemusel tekkis elektronide superpositsioon ehk elektronid asusid mitmes kohas korraga. See liitolek muutub ajas.

Seisundite faasierinevused annavad signaali tugevdava või nõrgendava interferentsi. Samal viisil saavad liituda omavahel tiiki kahe kivi viskamisel tekkivad lained. Mõnes kohas hakkavad lained üksteist võimendama ja teises kohas kustutama. See peegeldus omakorda selles, kui palju ja kus detektoriga elektrone millalgi mõõdeti.

"Pilt, mida nägime, oli väga huvitav, sest interferents oli oma struktuurilt väga-väga rikkalik. Nägime ainulaadseid jälgi, mis seostusid väga täpselt kindla ajaga, mis oli aatomi ergastusest möödunud," viitas Berholts. Ühtlasi olid need füüsikaõpikutest tuttavatest inteferentsimustritest tunduvalt mustriküllasemad. Kuna kahe laine asemel mõjutasid üksteist korraga umbes 40 elektronilainet, võis seda ka oodata. Keerukus aitab kindlustada, et mustrid ei kordu mõõtmisperioodil mitte kunagi.

"Inimsilmale võivad tunduda tekkivad mustrid täiesti kaootilised, ent kvantmehaanika kirjeldab maailma piisavalt hästi, et eksperimendi algtingimused mudelisse sisse söötes saame väga täpselt ette ennustada, milline see muster mingil ajahetkel olema peaks," sõnas teadur. Eksperimendi algusest möödunud ajavahemiku välja selgitamiseks klapitas Berholts eksperimendis saadud tulemusi arvutisimulatsioonis nähtuga.

Ergastavate seisundite eluiga seab piirid, kui pikki ajavahemikke on võimalik uudset tehnikat kasutades üleüldse mõõta. "Seda kella pole võimalik sekundite ajaskaalal kasutada, pigem femtosekunditest kuni mikrosekundini välja," märkis teadur. Ilmunud uuringus piisas tehnika tööpõhimõtte tõestamiseks Berholtsi enda 12-tuumalist arvutist.

Sellele vaatamata arvab teadur, et välja töötatud tehnikast võib mitmel pool kasu tõusta. Praegu kasutatakse pumba-sondi eksperimentides kahe laserimpulsi vahel viiteaja tekitamiseks liigutatavaid peegleid. Kuna ajavahemikud on lühikesed, võivad aga isegi väikesed nende kasutamisega seotud määramatused tulemusi märkimisväärselt mõjutada.

"Pumba-sondi eksperimentides on meie tehnikat tulevikus päris kerge kasutada. Võib-olla mitte päris igas laboris, kuid see pole võimatu. Kvantkellal on potentsiaal saada oluliseks tööriistaks igas aeglahutatud eksperimendis oma lihtsuse ja täpsuskindluse tõttu. Kuna selline kell on võimeline ainulaadselt ülitäpselt mõõtma ülilühikesi ajavahemikke, saab seda kasutada ka aeglahutatud eksperimentides, kus nullaega pole võimalik määrata," lisas Marta Berholts. Näiteks aitaks kvantkell paremini mõista, kuidas molekulid lagunevad ning valgusosakesed või magnetväljad ainet mõjutavad.

Uuring ilmus ajakirjas Physical Review Research.