Чтобы наблюдать сверхбыстрое движение электронов во внутренних оболочках атомов с помощью коротких световых импульсов, импульсы должны быть не только ультракороткими, но и очень яркими, а доставленные фотоны должны иметь достаточно высокую энергию. Это сочетание свойств искали в лабораториях по всему миру в течение последних 15 лет. Физикам Лаборатории аттосекундной физики (LAP), совместного предприятия Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ), теперь удалось выполнить условия, необходимые для достижения этой цели.
В своих последних экспериментах они смогли наблюдать нелинейное взаимодействие аттосекундного импульса с электронами в одной из внутренних орбитальных оболочек вокруг атомного ядра. В этом контексте термин «нелинейный» указывает на то, что во взаимодействии участвует более одного фотона (в данном конкретном случае задействованы два). Этот прорыв стал возможным благодаря разработке нового источника аттосекундных импульсов.
Одна аттосекунда длится ровно одну миллиардную миллиардную долю секунды.Открыта дверь для наблюдения сверхбыстрого движения электронов в глубине атомов. Физики из Лаборатории аттосекундной физики (LAP) в LMU в Мюнхене разработали технологию, которая позволяет им генерировать интенсивные аттосекундные импульсы. Эти импульсы можно использовать для отслеживания движения электронов внутри внутренних оболочек атомов в реальном времени, замораживая это движение на аттосекундных выдержках.
Экспериментальная процедура, используемая для снятия пленки движущихся электронов, использует подход «накачка-зонд». Электроны в атоме-мишени сначала возбуждаются фотоном, содержащимся в импульсе накачки, а затем после короткой задержки следует вторым фотоном в зондирующем импульсе. Последнее по сути выявляет эффект фотона накачки. Чтобы реализовать эту процедуру, фотоны должны быть настолько плотно упакованы, чтобы один атом в мишени мог быть поражен двумя фотонами последовательно.
Более того, чтобы у этих фотонов была возможность достичь внутренних электронных оболочек, они должны иметь энергию в верхнем конце крайнего ультрафиолетового (XUV) спектра. Ни одной исследовательской группе ранее не удавалось генерировать аттосекундные импульсы с необходимой плотностью фотонов в этой спектральной области.
Технология, которая сделала это возможным, основана на увеличении масштаба обычных источников аттосекундных импульсов. Группа под руководством профессора Ласло Вейса разработала новый мощный лазер, способный испускать импульсы инфракрасного света, каждый из которых состоит всего из нескольких циклов колебаний, которые содержат в 100 раз больше фотонов в импульсе, чем в обычных системах. Эти импульсы, в свою очередь, позволяют генерировать изолированные аттосекундные импульсы XUV-света, содержащие в 100 раз больше фотонов, чем в обычных аттосекундных источниках.
В первой серии экспериментов аттосекундные импульсы высокой энергии фокусировались на потоке газообразного ксенона. Фотоны, которые случайно взаимодействуют с внутренней оболочкой атома ксенона, выбрасывают электроны из этой оболочки и ионизируют атом.
Используя так называемый ионный микроскоп для обнаружения этих ионов, ученые впервые смогли наблюдать взаимодействие двух фотонов, заключенных в аттосекундном импульсе, с электронами на внутренних орбитальных оболочках атома. В предыдущих аттосекундных экспериментах можно было наблюдать только взаимодействие электронов внутренней оболочки с одним XUV-фотоном.
«Эксперименты, в которых возможно взаимодействие электронов внутренней оболочки с двумя аттосекундными импульсами XUV, часто называют Святым Граалем аттосекундной физики. С помощью двух импульсов XUV мы могли бы« заснять »движение электронов во внутреннем атоме. оболочки, не влияя на их динамику », — говорит д-р Борис Бергес, руководитель нового исследования.
Это представляет собой значительный прогресс по сравнению с аттосекундными экспериментами с возбуждением одним аттосекундным XUV-фотоном. В этих экспериментах полученное состояние было «сфотографировано» более длинным инфракрасным импульсом, который сам по себе оказал значительное влияние на последующее движение электронов.«Электронная динамика во внутренних оболочках атомов представляет особый интерес, потому что она является результатом сложного взаимодействия многих электронов, которые взаимодействуют друг с другом», — объясняет Берг. «Детальная динамика, возникающая в результате этих взаимодействий, вызывает множество вопросов, которые мы теперь можем решить экспериментально, используя наш новый аттосекундный источник».На следующем этапе физики планируют эксперимент, в котором они определят время взаимодействия, разделив аттосекундный импульс высокой интенсивности на отдельные импульсы накачки и зондирующие импульсы.
Успешное применение нелинейной оптики в аттосекундной области для исследования поведения электронов во внутренних орбитальных оболочках атомов открывает дверь к новому пониманию сложной многотельной динамики субатомных частиц. Возможность снимать движение электронов глубоко внутри атомов обещает многое рассказать о таинственном царстве, которое оставалось скрытым от нашего взора.
