Международны коллектив ученых впервые определил физические параметры ультракоротких рентгеновских лазерных импульсов с высоким временным разрешением. Результаты исследования физиков, в число которых вошел профессор НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова, опубликованы в журнале Nature Photonics.

Исследователи провели серию уникальных экспериментов и определили энергетические и временные характеристики импульсов рентгеновских лазеров на свободных электронах. Излучение в таких лазерах генерируется пучком релятивистских электронов (то есть движущихся со скоростью, сравнимой со скоростью света). Они проходят через ряд расположенных специальным образом магнитов и тем самым теряют часть своей энергии, которая и превращается в лазерное излучение. Благодаря этой технологии ученые смогли получить сверхмощные ультракороткие рентгеновские импульсы.

«Рентгеновские лазеры на свободных электронах предоставляют уникальную возможность для исследования структуры атомов, молекул, в том числе биологических, и твердых тел, а также возможность изучить динамику атомно-молекулярных процессов и их развития во времени с беспрецедентной точностью. Для реализации этих возможностей необходимо знать параметры импульсов, в том числе временные параметры, такие как длительность, временная структура импульса и время прихода импульса на мишень», — рассказал один из авторов исследования Николай Кабачник, ведущий научный сотрудник отдела физики атомного ядра НИИЯФ МГУ.

Чтобы определить параметры лазерного излучения, ученые использовали метод угловой развертки импульса. В экспериментальной установке лазерные импульсы попадали на атомы неона, под действием этого излучения атомы теряли часть своих электронов. Освободившиеся электроны попадали во вращающееся (циркулярно-поляризованное) поле инфракрасного излучения. В результате взаимодействия с полем электроны изменяли свою энергию и угловое распределение (зависимость интенсивности пучка электронов от угла). Измеряя эти характеристики, учёные сделали выводы о структуре и свойствах изначального лазерного импульса.

В современных рентгеновских лазерах на свободных электронах отдельные импульсы отличаются по своим параметрам (энергией, длительностью, интенсивностью и так далее) и поэтому описываются лишь статистически, то есть усреднением характеристик по большому числу импульсов. Однако методика, представленная авторами работы, позволяет измерить характеристики для каждого отдельного импульса. Теоретически процесс описали Николай Кабачник и его коллега Андрей Казанский (ДИФЦ, Сан Себастьян).

«Этот метод был теоретически обоснован в наших предыдущих работах. Его реализация интернациональной группой физиков делает возможным определение параметров единичных импульсов рентгеновских лазеров на свободных электронах с аттосекундным разрешением (1 аттосекунда – это одна миллиардная часть миллиардной доли секунды), что открывает путь для экспериментов по изучению развития сверхбыстрых молекулярных процессов во времени», — пояснил Кабачник.

В работе ученые использовали в качестве мишени простейшую систему, атомы неона, однако проведенное исследование может стать основой для аналогичных экспериментов на значительно более сложных объектах, например, на молекулах, участвующих в фотосинтезе. Знание деталей фотовозбуждения (начальной стадии фотосинтеза) будет способствовать лучшему пониманию этого важнейшего, но еще недостаточно изученного процесса. Детальное исследование развития фотоионизации во времени может позволить увеличить эффективность солнечных батарей, а также способствовать созданию более быстрых компьютерных чипов.