При помощи коротких рентгеновских импульсов физики смогли манипулировать состоянием единичных атомных ядер. Новая методика обладает потенциалом стать революцией в ядерной физике, позволив не только наблюдать за состоянием нуклонов, но и модифицировать его, получая материалы с заданными свойствами.

Научная работа с описанием поистине революционного достижения европейских физиков опубликована в рецензируемом журнале Nature. В исследовании участвовали специалисты из немецких Института ядерной физики Общества Макса Планка (Max Planck Institut für Kernphysik, Гейдельберг), синхротрона DESY (Гамбург) и французского ускорителя ESRF (Гренобль). Экспериментально был продемонстрирован контроль над ядрами атомов изотопа железа 57Fe в течение нескольких зептосекунд (миллиардные доли миллиардной доли секунды), что может показаться совсем незначительным, но лиха беда начало.

Схема опытов, на первый взгляд, проста и понятна. Источник рентгеновского излучения очень коротким импульсом облучает первый образец. Тот возбуждается и переизлучает в сторону второго образца, который, в свою очередь, получает уже два импульса.

И с ними можно «играть» довольно интересным образом. Если первичный пучок фотонов возбудил первое ядро так, что оно сместилось на половину длины волны рентгеновского излучения, то два импульса приходят в мишень (второй атом) со сдвигом. Таким образом он не переизлучает полученную энергию сразу, а возбуждается еще сильнее. По тому, через какое время все же происходила «разрядка» нуклонов второго ядра 57Fe, ученые судили о результатах своих манипуляций. На деле, конечно, все несколько (намного) сложнее, но именно так немецкие физики описали свой эксперимент для «непосвященных».

Схема эксперимента. (a): короткий рентгеновский импульс генерируется синхротроном (SR) и проходит через первый атом железа-57, играющего роль делителя-контроллера (SCU), в котором происходит смещение фазы (Δx) двух итоговых импульсов на половину длины волны, что вызывает задержку (Δt) во времени получения мишенью этих импульсов; в результате изменяется дипольный момент перехода атома-мишени, что и фиксирует детектор. (b): энергетические уровни, а также спектр SCU и мишени / ©Heeg, K.P., Kaldun, A., Strohm, C. et al. Coherent X-ray−optical control of nuclear excitons. Nature 590, 401–404 (2021). https://doi.org/…-021-03276-x

Для ядерной физики такой прорыв действительно значит многое. Во-первых, появился метод точного измерения состояния ядра отдельного атома. А во-вторых, разработан метод его непосредственного изменения. Из возможных сфер применения этой технологии ученые отмечают создание атомных батарей, где заряд накапливается не ионами (отдающими или принимающими электроны целыми атомами), а субатомными частицами. Еще одно важное свойство нового метода — прецизионное определение частоты колебаний атома. А это уже прямая дорога к еще более точным часам.

В современной экспериментальной физике существует множество методов манипуляции отдельными атомами. Но почти все из них включают в себя облучение мишеней тем или иным когерентным потоком фотонов, то есть лазерным излучением. То, насколько малые частицы могут с этим излучением провзаимодействовать, зависит от длины его волны.

До недавнего времени в распоряжении ученых не было сравнительно большого числа источников рентгеновского излучения — его частота достаточно высока (то есть длина волны мала), чтобы с большой вероятностью попасть в ядро атома. Но теперь синхротронов становится все больше, а значит, и подходящие инструменты доступнее.