Учёные из Университета Висконсин–Мэдисон достигли впечатляющего результата: они создали самые короткие импульсы жёсткого рентгеновского излучения в истории. Им удалось это благодаря открытию нового мощного лазерного эффекта.
Длительность этих импульсов измеряется в аттосекундах, что составляет одну квинтиллионную долю секунды. Для сравнения: одна аттосекунда по отношению к секунде — это как одна секунда по отношению ко всему возрасту Вселенной с момента теоретического Большого взрыва.
Физик Уве Бергманн, участвовавший в эксперименте, объясняет, что в процессе наблюдалось мощное лазерное излучение, связанное с внутренними оболочками атомов. Расчёты показали, что продолжительность рентгеновских импульсов может быть короче 100 аттосекунд. Это открытие открывает путь к новым типам лазерных технологий.
Принцип работы нового лазера напоминает обычный, но с одним важным отличием: он работает на значительно более коротких волнах. Мощные рентгеновские импульсы возбуждают электроны на внутренних орбитах атома. Возвращаясь в исходное состояние, электроны испускают фотоны, что может запустить цепную реакцию и сформировать направленный пучок.
Однако современные рентгеновские лазеры пока генерируют нестабильные импульсы с неоднородным спектром и разным временем начала, что ограничивает их применение. Исследователи стремились достичь более чёткой и предсказуемой работы импульсов.
В новом эксперименте команда направила узко сфокусированный рентгеновский пучок на образцы меди и марганца. Несмотря на определённую хаотичность, пучок оказался невероятно мощным, словно вся энергия солнечного света сосредоточилась в одной точке.
Образец начал испускать рентгеновское излучение 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 объясняет такую картину. Когда мощность входного импульса увеличили, спектр стал расширяться, а линии раздваиваться. Это явление связано с квантовым эффектом, известным как цикл Раби.
В результате 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 и был получен в Цюрихе около восьми лет назад.
Учёные отмечают, что химические реакции происходят в масштабе фемтосекунд, а движение электронов внутри атомных орбиталей — на аттосекундном уровне. Теперь эти процессы можно наблюдать с помощью новых импульсов.
По словам Бергманна, потенциал этой технологии огромен. Ранее нелинейные эффекты изучались с помощью оптических лазеров, теперь же их можно исследовать в рентгеновском диапазоне. Это открывает новые возможности для атомной точности и чувствительности к химическому составу.