Самая быстрая камера в истории науки — 19 аттосекунд на кадр. Физики впервые засняли движение электронов в реальном времени

Движение электронов десятилетиями оставалось чем-то вроде скрытого механизма природы. Учёные понимали, что именно электроны определяют ход химических реакций, свойства материалов, перенос энергии в молекулах и работу квантовых устройств. Проблема была не в теории — она упиралась во время. Электроны двигаются настолько быстро, что привычные инструменты просто не успевали зафиксировать происходящее.

Речь идёт об аттосекундах — отрезках времени, равных одной квинтиллионной доле секунды. Для сравнения: за аттосекунду свет не успевает пройти даже толщину человеческого волоса. Именно в таких масштабах разворачивается электронная динамика, и до недавнего времени она оставалась недоступной для прямого наблюдения.

Теперь этот предел удалось преодолеть. Исследователи создали импульс мягкого рентгеновского излучения длительностью 19,2 аттосекунды — самый короткий и одновременно самый яркий сигнал в своём диапазоне. По сути, речь идёт о самой быстрой «камере», когда-либо созданной для наблюдения за движением электронов в реальном времени.

Импульс разработали учёные из Института фотонных наук ICFO. Его длительность позволяет напрямую заглянуть в процессы, которые раньше приходилось реконструировать лишь косвенно: перераспределение электронов во время химических реакций, фазовые переходы в материалах и перенос энергии между атомами и молекулами.

Мягкое рентгеновское излучение здесь играет ключевую роль. В отличие от видимого света, оно чувствительно к конкретным атомам и их электронным оболочкам. Такие ультракороткие вспышки позволяют отслеживать, как именно электроны «перестраиваются» вокруг отдельных атомных узлов. Это даёт возможность увидеть, как материал меняет свои свойства или как молекула буквально на глазах превращается в другую в ходе реакции.

Создание одиночного импульса столь малой длительности оказалось чрезвычайно сложной задачей. Для этого потребовались серьёзные прорывы в генерации высоких гармоник — методе, при котором лазерный свет преобразуется в излучение с гораздо более высокой частотой. Параллельно пришлось разрабатывать новые лазерные схемы и методы аттосекундной метрологии — то есть способы измерения сверхкоротких временных интервалов. Только сочетание всех этих решений позволило не просто получить импульс, но и надёжно подтвердить его реальную длительность.

Первые шаги были сделаны ещё в 2015 году, когда команда под руководством Йенса Бигерта впервые смогла изолировать аттосекундные импульсы в мягком рентгеновском диапазоне. Уже тогда стало ясно, что такие сигналы открывают принципиально новые возможности: с их помощью удалось, например, проследить взаимодействие электронов с кристаллической решёткой в твёрдых телах и увидеть, как раскрываются молекулярные кольца — ранний этап процессов, лежащих в основе полимеризации.

Однако на протяжении почти 10 лет оставалась нерешённой ключевая проблема: точное измерение длительности импульсов. Существующие методы не давали нужной точности, и рекордные значения приходилось скорее оценивать, чем подтверждать напрямую.

Перелом произошёл благодаря новому подходу к восстановлению формы импульса. Анализ экспериментальных данных с использованием этой методики позволил впервые с высокой уверенностью зафиксировать рекордную длительность сигнала. Тем самым аттосекундная физика шагнула ниже так называемой атомной единицы времени — фундаментального масштаба, который долгое время считался практически недосягаемым.

Возможность напрямую наблюдать движение электронов может изменить подходы к изучению фотоэлектрических материалов, катализа, сильно коррелированных систем и перспективных квантовых устройств. Вместо догадок и косвенных моделей исследователи получают инструмент, который работает в том же временном режиме, что и сами электроны.

Новый импульс отличается не только скоростью, но и качеством: он ярче, чище и точнее предыдущих решений. Это делает его универсальным инструментом для экспериментов, где раньше приходилось довольствоваться лишь следами уже завершившихся процессов.