Рекордный аттосекундный лазер позволил заглянуть в самые глубины атома

Физики много лет мечтали изучить движение "внутренних" (ближайших к ядру) электронов в сложных атомах. Но экспериментальная техника не давала им такой возможности. Теперь всё изменилось благодаря новому аттосекундному лазеру. Достижение описано в научной статье, опубликованной командой во главе с Ласло Вейсом (Laszlo Veisz) из Института квантовой оптики общества Макса Планка в журнале Optica.

Исследователи уже давно используют лазеры, чтобы изучать движение электронов в атоме. Но даже фемтосекундные установки, в которых импульс излучения длится 10^-15 секунды, зачастую оказываются для этих исследований слишком медленными. Требуются аттосекундные лазеры, импульсы которых короче ещё в тысячу раз.

Однако требования на этом не заканчиваются. Техника исследования требует, чтобы с одним и тем же электроном взаимодействовали два фотона подряд. Первый фотон переводит частицу в возбуждённое состояние, а основную информацию даёт поглощение второго фотона. Таким образом, фотоны должны обрушиваться на вещество настолько плотным потоком, чтобы опровергать собой поговорку "в одну воронку два снаряда не падает".

Но и это ещё не всё. Чтобы воздействовать на ближайшие к ядру электроны, фотоны должны иметь достаточно большую энергию, а она, как известно, прямо пропорциональна частоте излучения. Инфракрасные и даже оптические лазеры здесь не годятся. Требуются фотоны из диапазона, пограничного между ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Этот диапазон специалисты обозначают аббревиатурой XUV, образованной от английских слов x-ray ("рентгеновские лучи") и ultraviolet ("ультрафиолет").

Попытки совместить три этих требования напоминают древнюю задачу о волке, козе и капусте или же известный в бизнесе принцип "быстро, дёшево и качественно – выберите любые два пункта".

"Эксперименты, в которых внутренние электроны оболочки взаимодействуют с двумя аттосекундными XUV-импульсами, часто именуются Святым Граалем аттосекундной физики", – поясняет ведущий автор исследования Борис Бергес (Boris Bergues).

Аттосекундные лазеры с нужной интенсивностью излучения существуют, но до сих пор энергия фотонов в них не превышала 50 электрон-вольт, а требуется под сотню. Предъявить такую установку изумлённому человечеству не удавалось ещё никому – до публикации команды Вайса.

Как поясняется в пресс-релизе исследования, учёные использовали "каскад" из двух установок. Первым звеном цепочки служит аттосекундный инфракрасный лазер рекордной мощности: по количеству фотонов на импульс он превосходит "собратьев" в сто раз. А уже это излучение используется для порождения импульсов в заветном XUV-диапазоне. Авторы продемонстрировали генерацию фотонов с энергиями 93 и 115 электрон-вольт.

Лазер опробовали на атомах ксенона. К полному удовлетворению исследователей, он действительно позволил "зондировать" ближайшие к ядру электроны.

"Динамика электронов во внутренних оболочках атомов представляет особый интерес, поскольку она обусловлена сложным взаимодействием множества электронов. Детальная динамика, вызванная этим взаимодействием, вызывает много вопросов, которые мы теперь можем экспериментально разрешить с использованием нашего нового аттосекундного источника", – заключает Бергес.

Напомним, что мы неоднократно писали о рекордных лазерах. Например, мы рассказывали об установках, развивающих рекордную мощность в отдельном импульсе и в среднем по времени.