Физики создали первую плазменную линзу — и она способна фокусировать самые короткие вспышки света, известные науке

Учёные из Института Макса Борна (MBI) в Берлине и центра DESY в Гамбурге создали первую в мире плазменную линзу, способную фокусировать аттосекундные импульсы — самые короткие вспышки света, известные науке. Это открытие может изменить саму основу исследований в области ультрабыстрой физики.

Аттосекунда — это миллиардная доля миллиардной доли секунды (10⁻¹⁸ секунды). Настолько короткие вспышки позволяют буквально замораживать движение электронов в атомах и материалах, превращая невидимые процессы в наблюдаемые кадры. С их помощью физики исследуют, как электроны покидают атомы, образуют связи и запускают химические реакции.

Главная проблема заключалась в том, что такие импульсы лежат в диапазоне экстремального ультрафиолета и рентгена, где обычные зеркала и линзы не работают. Отражающие поверхности быстро теряют свойства, а стеклянные линзы поглощают свет и растягивают импульсы, разрушая их точность.

Чтобы обойти это ограничение, исследователи обратились к плазме — ионизированному газу, который может преломлять свет совершенно иначе, чем твёрдые материалы. Они пропустили мощные электрические импульсы через водород, заключённый в узкую капиллярную трубку. Поток энергии выбил электроны из атомов, и те, отталкиваясь, сформировали плотную оболочку в форме вогнутой линзы.

На первый взгляд, такая структура должна была рассеивать свет, но физика плазмы работает по другим законам. В результате получилась система, которая не рассеивает, а наоборот фокусирует аттосекундные импульсы — без потери мощности и скорости.

Эксперименты показали, что новая линза может собирать лучи в фокус по широкому диапазону длин волн экстремального ультрафиолета. Причём расстояние до фокуса можно настраивать, изменяя плотность плазмы. Передача света превысила 80 %, что для подобных экспериментов считается выдающимся результатом.

Есть и дополнительный бонус: плазма естественным образом отсекает более длинные инфракрасные волны, которые обычно используются для генерации аттосекундных вспышек. Ранее для этого требовались металлические фильтры, но они как бы съедали значительную часть энергии.

Чтобы понять, как новая линза влияет на форму импульсов, команда провела моделирование. Без искажений вспышки растягивались незначительно — с 90 до 96 аттосекунд. А при реальных условиях, когда цвета импульса доходят до фокуса с микроскопической разницей по времени (так называемый чирп), плазменная линза даже сократила длительность импульсов — с 189 до 165 аттосекунд.

Благодаря простому выравниванию, высокой пропускной способности и регулируемому фокусу, новая технология открывает новую эру в аттосекундной науке. С её помощью можно будет точнее наблюдать движение электронов в сложных материалах, развивать ультрабыстрые квантовые технологии и создавать микроскопы, способные фиксировать процессы на фундаментальном уровне — там, где время измеряется не миллиардами, а миллиардными долями секунды.