Рентгеновские лазеры прорвались в аттосекундный диапазон

Физики научились генерировать лазерные импульсы сверхмалой длительности, которые позволят исследовать электронные процессы в веществе и управлять ими

Химические реакции и другие сложные явления, происходящие в жидкостях и твердых телах, определяются их электронной структурой и движением электронов. Это очень быстрые процессы. Например, в атоме переход электронов из одного состояния в другое из-за поглощения фотона солнечного света происходит в чрезвычайно короткий отрезок времени, обычно всего несколько сотен аттосекунд (1 аттосекунда = 10 ^-18 с). Это настолько маленькое время, что свет с его огромной скоростью в 300 000 км/с за одну аттосекунду проходит расстояние всего лишь соответствующее типичному размеру атома.

Для изучения таких сверхбыстрых процессов нужен инструмент, способный реагировать примерно на порядок быстрее, чем собственно происходит сам процесс. Только световые лазерные импульсы со сравнимой длительностью могут быть использованы для получения снимков этого движения, тем самым позволяя его исследовать. Чем меньше их длительность, тем более быстрые процессы можно с их помощью изучать и управлять ими. Соответственно электромагнитное излучение лазера должно иметь очень высокую частоту и малую длину волны.

Электроны очень чувствительны к внешним полям, и ими можно легко управлять с помощью облучения световыми импульсами. Способность вовремя формировать нужное электрическое поле аттосекундного импульса приводит к возможности управлять процессами, в которых участвуют электроны. Это очень перспективная технология, находящаяся на грани доступного для современной физики, но обещающая предоставить новые подходы для управления химическими реакциями и для разработки электронных устройств, которые будут намного быстрее, чем используемые в настоящее время.

Подходящие интенсивные импульсы в широком диапазоне частот генерируют так называемые рентгеновские лазеры на свободных электронах, но их длительность до сих пор превышала 10 фемтосекунд (в одной фемтосекунде — 1000 аттосекунд). Так что перед физиками стояла трудная задача: заставить лазеры на свободных электронах генерировать более короткие импульсы, причём с заданными свойствами. Она тесно связана с проблемой диагностики формы и длительности таких импульсов.

Эту задачу решила международная команда исследователей, в которую вошли и российские физики. Сотрудники НИИЯФ МГУ Алексей Грум-Гржимайло и Елена Грызлова внесли определяющий вклад в теоретическое обоснование метода, экспериментально реализованного международным коллективом из нескольких стран на пока единственном в мире рентгеновском лазере на свободных электронах FERMI (Триест, Италия), обладающем временной когерентностью.

Разработанный принцип генерации аттосекундных импульсов ультрафиолетового диапазона можно пояснить на примере звуковых сигналов. Если наложить друг на друга звуки от двух гитарных струн, то можно услышать биения громкости, то есть суммарное колебание будет иметь изменяющуюся со временем амплитуду. Можно так подобрать колебания нескольких струн и относительные фазы (задержки) этих колебаний, что биения будут иметь вид коротких всплесков громкости с длительным периодом почти тишины между ними. Упомянутая выше временная когерентность на «гитарном языке» означает, что аккорд на этих струнах долго звучит без искажений даже при больших задержках.

Но для реализации такого сценария нужно настроить струны так, чтобы частоты их колебаний относились друг к другу, как целые числа. Роль струн в лазере на свободных электронах играют устройства, называемые ондуляторами. Они представляют собой последовательность («гребёнку») магнитов, проходя которые электронные сгустки, создаваемые линейным ускорителем, производят импульсы электромагнитного излучения. Несколько ондуляторов генерируют излучения нужных частот. Их фазы регулируются задержками электронных сгустков во времени. Диагностика и настройка формы получающейся цепочки электромагнитных импульсов длительностью в несколько сотен аттосекунд — еще более сложная проблема. Для этого излучение от ондуляторов и инфракрасный лазерный свет определённой оптической частоты направляются на мишень (в данном случае — это газ из атомов неона). Вылетающие из атомов мишени под действием излучения электроны группируются по энергии в изолированные пики. В относительных интенсивностях этих пиков и закодирована информация о характеристиках генерируемых аттосекундных импульсов.

Проведённое исследование впервые открывает доступ к программируемым аттосекундным сигналам высокой интенсивности и путь для изучения сверхбыстрых нелинейных электронных процессов и управления ими. Это открывает новые возможности для исследований в области структурной биологии, драг-дизайна (направленного конструирования лекарственных препаратов) и медицины. А, например, в твердых образцах аттосекундные волны, переводя электроны из внутренней зоны в зону проводимости, дадут возможность исследовать эффекты диффузии и релаксации с аттосекундным разрешением. Разработанный метод может быть внедрен и развит на других рентгеновских лазерах на свободных электронах с временной когерентностью. Проведённое исследование также повлияет на планирование и разработку новых лазеров на свободных электронах по всему миру.

Результаты, опубликованные в журнале Nature , стали возможными только благодаря тесному сотрудничеству между группой университета Фрайбурга (Германия), лаборатории Elettra (Италия), российскими теоретиками, а также теоретиками и экспериментаторами из США, Германии, Италии, Австрии, Словении, Венгрии, Японии и Швеции.