60 аттосекунд и цикл Раби: как учёные прокололи пространство временем

Учёные из Университета Висконсин–Мэдисон создали самые короткие в истории импульсы жёсткого рентгеновского излучения. Им удалось добиться этого благодаря демонстрации нового мощного лазерного эффекта, ранее не наблюдавшегося.

Длительность этих импульсов измеряется в аттосекундах — это одна квинтиллионная доля секунды, или одна миллиардная миллиардной. Чтобы осознать масштаб, можно представить, что одна аттосекунда относится к секунде примерно так же, как одна секунда ко всему возрасту Вселенной с момента Большого взрыва.

Как объясняет физик Уве Бергманн, участвовавший в исследовании, в процессе наблюдалось мощное лазерное излучение, связанное с внутренними оболочками атомов. При этом расчёты показали, что продолжительность рентгеновских импульсов может быть короче 100 аттосекунд. Подобная сверхкороткая длительность может открыть путь к новым типам лазерных технологий .

Механизм излучения напоминает работу обычного лазера, только на значительно более коротких волнах. Под действием мощного рентгеновского импульса возбуждаются электроны с внутренних орбит атома. При возвращении в исходное состояние они испускают фотоны, что может запустить цепную реакцию и сформировать направленный пучок.

Однако современные рентгеновские лазеры на свободных электронах пока генерируют нестабильные импульсы с неоднородным спектром и разным временем начала, что мешает широкому применению. Исследователи стремились сделать рентгеновские импульсы более чёткими и предсказуемыми.

В новом эксперименте команда направила узко сфокусированный рентгеновский пучок на образцы меди и марганца. Несмотря на определённую хаотичность, пучок оказался чрезвычайно мощным — как будто вся энергия солнечного света одновременно сконцентрировалась в одной точке.

В ответ образец начал испускать рентгеновский свет в том же направлении. Детекторы зафиксировали неравномерную структуру сигнала — вместо гладкой линии иногда появлялись яркие всплески. 3D-моделирование показало, что внутри образца формировались тонкие нити излучения, что и объясняет такую картину.

Когда мощность входного импульса увеличили, спектр стал расширяться, а линии раздваиваться. Выяснилось, что это связано с квантовым эффектом, известным как цикл Раби.

В итоге исследователи зафиксировали импульсы продолжительностью от 60 до 100 аттосекунд, что стало новым рекордом для жёсткого рентгеновского диапазона. Для сравнения, самый короткий известный мягкий рентгеновский импульс длится 43 аттосекунды — он был получен в Цюрихе около восьми лет назад.

Как объясняют учёные, если химические реакции происходят в масштабе фемтосекунд, то движение электронов внутри атомных орбиталей происходит уже на аттосекундном уровне. Именно такие процессы теперь можно наблюдать с помощью новых импульсов.

По словам Бергманна, потенциал у этой технологии огромен. Ранее многие нелинейные эффекты изучались только с использованием оптических лазеров, но теперь их можно исследовать и в рентгеновском диапазоне. Это открывает возможности для атомной точности и чувствительности к химическому составу. Новая работа стала шагом к тому, чтобы перенести классические лазерные исследования в область жёсткого рентгена.

Результаты опубликованы в журнале Nature.