Физики из Университета Центральной Флориды и Института физики Китайской академии наук разработали технологию, позволяющую создавать вспышки лазерного света длительностью всего около 53 аттосекунд. Это настолько короткие промежутки времени, что свет успевает преодолеть за них тысячную долю толщины волоса. Главное применение таких «вспышек» — исследование быстрых электронных процессов в молекулах и в твердых телах. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, кратко о нем сообщает пресс релиз Университета Центральной Флориды.

Процессы, связанные с изменением электронной структуры молекул происходят на очень малых масштабах времени, измеряющихся десятками аттосекунд. Это в сотни миллионов миллиардов раз меньше, чем привычная секунда — самые быстрые рукотворные объекты не сдвинуться за такое время на диаметр протона. Исследовать их можно лишь с помощью сопоставимо быстрых процессов — в противном случае наблюдаемая картина окажется смазанной. 

В частности, для этого можно использовать короткие импульсы света. Колебания электромагнитного поля взаимодействуют с электронами молекул и по характеру этого взаимодействия можно восстановить электронное состояние. Но если вспышка света длится гораздо больше, чем характерное время перестройки электронной системы, то получить полезную информацию из смеси разных взаимодействий будет гораздо сложнее.

Фотоэлектронная спектрограмма, показывающая разрыв во времени между моментом взаимодействия первичного пучка лазера с неоном и рождением рентгеновского излучения. Jie Li et al. / Nature Comm., 2017

Минимальная продолжительность лазерного импульса ограничена временем, за которое свет пролетает свою длину волны. Для синего света она примерно равна одной фемтосекунде (в тысячу раз больше аттосекунды), чем короче длина волны, тем быстрее может быть импульс. В начале XXI века физики выяснили, что короткие импульсы можно генерировать в сильно нелинейных процессах — например, когда один короткий импульс облучает материю и в результате этого происходит излучение более коротковолнового излучения. Традиционно для этого используются мощные лазеры ближнего инфракрасного диапазона. 

Схема эксперимента. Jie Li et al. / Nature Comm., 2017

В новой работе авторы использовали короткий сфокусированный импульс 125-гигаваттного инфракрасного лазера чтобы возбудить молекулы неона и превратить их в источники вторичного рентгеновского излучения. Затем, физики определили среднюю продолжительность рентгеновского импульса — она оказалась примерно равной 53 аттосекундам, что примерно на 20 процентов короче, чем в предыдущем рекорде.

С помощью новой техники ученые смогли наблюдать динамику электронных переходов в атоме углерода углекислого газа. В перспективе это поможет исследовать реакции фотохимического разрыва связей в фреонах на аттосекундных масштабах. Подобные работы помогут лучше установить механизмы этих реакций и найти способы их ускорить. 

Ранее мы сообщали об исследовании фотоионизации атомов гелия с помощью методов аттосекундной спектроскопии. Международному коллективу физиков удалось достигнуть рекордного разрешения в сотни зептосекунд (эта единица измерения в тысячу раз меньше аттосекунды). 

Автор: Владимир Королёв