Лазерный мир

Физики из Университета Центральной Флориды и Института физики Китайской академии наук разработали технологию, позволяющую создавать вспышки лазерного света длительностью всего около 53 аттосекунд. Это настолько короткие промежутки времени, что свет успевает преодолеть за них тысячную долю толщины волоса. Главное применение таких «вспышек» — исследование быстрых электронных процессов в молекулах и в твердых телах. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, кратко о нем сообщает пресс релиз Университета Центральной Флориды.

53-attosecond X-ray pulses reach the carbon K-edge

High-energy photon bursts, emitted from a gas ensemble at every half optical cycle within an intense laser electric field, form an attosecond pulse train1. Upon restricting these bursts to within one-half cycle of the laser field, a single attosecond pulse may be isolated, demonstrating great importance to the study of electron dynamics in pump-probe experiments2. Prior to this study, isolated attosecond pulses (IAPs) were primarily generated using few-cycle near-infrared (NIR) Ti:Sapphire lasers with sub-cycle gating technique, such as amplitude gating3, polarization gating4, double optical gating5, and the attosecond lighthouse6.

https://www.nature.com/articles/s41467-017-00321-0

Процессы, связанные с изменением электронной структуры молекул происходят на очень малых масштабах времени, измеряющихся десятками аттосекунд. Это в сотни миллионов миллиардов раз меньше, чем привычная секунда — самые быстрые рукотворные объекты не сдвинуться за такое время на диаметр протона. Исследовать их можно лишь с помощью сопоставимо быстрых процессов — в противном случае наблюдаемая картина окажется смазанной. 

В частности, для этого можно использовать короткие импульсы света. Колебания электромагнитного поля взаимодействуют с электронами молекул и по характеру этого взаимодействия можно восстановить электронное состояние. Но если вспышка света длится гораздо больше, чем характерное время перестройки электронной системы, то получить полезную информацию из смеси разных взаимодействий будет гораздо сложнее.

Минимальная продолжительность лазерного импульса ограничена временем, за которое свет пролетает свою длину волны. Для синего света она примерно равна одной фемтосекунде (в тысячу раз больше аттосекунды), чем короче длина волны, тем быстрее может быть импульс. В начале XXI века физики выяснили, что короткие импульсы можно генерировать в сильно нелинейных процессах — например, когда один короткий импульс облучает материю и в результате этого происходит излучение более коротковолнового излучения. Традиционно для этого используются мощные лазеры ближнего инфракрасного диапазона. 

В новой работе авторы использовали короткий сфокусированный импульс 125-гигаваттного инфракрасного лазера чтобы возбудить молекулы неона и превратить их в источники вторичного рентгеновского излучения. Затем, физики определили среднюю продолжительность рентгеновского импульса — она оказалась примерно равной 53 аттосекундам, что примерно на 20 процентов короче, чем в предыдущем рекорде.

С помощью новой техники ученые смогли наблюдать динамику электронных переходов в атоме углерода углекислого газа. В перспективе это поможет исследовать реакции фотохимического разрыва связей в фреонах на аттосекундных масштабах. Подобные работы помогут лучше установить механизмы этих реакций и найти способы их ускорить. 

Ранее мы сообщали об исследовании фотоионизации атомов гелия с помощью методов аттосекундной спектроскопии. Международному коллективу физиков удалось достигнуть рекордного разрешения в сотни зептосекунд (эта единица измерения в тысячу раз меньше аттосекунды). 

Источник: https://nplus1.ru/news/2017/08/08/flash