Мгновение как вечность: зачем физикам самый короткий импульс излучения

Физики поставили мировой рекорд, создав импульс рентгеновских лучей продолжительностью всего 19 аттосекунд. Это в несколько раз меньше, чем требуется электрону, чтобы обойти вокруг атомного ядра. С помощью нового инструмента ученые будут отслеживать процессы, идущие внутри атомов. Достижение открывает новые горизонты в физике, химии и материаловедении. Научная статья об открытии опубликована в журнале с красноречивым названием Ultrafast Science, то есть «Ультрабыстрая наука».

На предельных скоростях

«И глазом моргнуть не успеешь» — говорим мы о чем-то скоротечном. Мигая, мы закрываем глаза лишь на пятую долю секунды, так что даже не замечаем мимолетной темноты. Но есть процессы, по сравнению с которыми миг — это невыносимо долго. Тонкий бокал, упавший на пол, разбивается за микросекунды, то есть миллионные доли секунды. Свет с экрана ноутбука достигает ваших глаз за пару наносекунд — миллиардных долей секунды. Две столкнувшиеся молекулы вступают в химическую реакцию и образуют новую молекулу за несколько пикосекунд — триллионных долей секунды. Эта химическая реакция состоит из множества этапов, продолжительность которых измеряется уже фемтосекундами (10^-15 с). Наконец, аттосекунды (10^-18 с) открывают дверь в мир атомных масштабов. Электрон в атоме водорода проходит расстояние, равное радиусу его орбиты, за 24 аттосекунды. Этот невообразимо малый промежуток часто называют атомной единицей времени. Одна такая единица по сравнению с минутой — примерно как минута по сравнению с возрастом Вселенной. Однако именно в таких единицах удобно измерять продолжительность событий, происходящих с электронами в атомах, молекулах и кристаллах.

Вниз по кроличьей норе

Что интересного может случиться с электроном? Очень многое. Во-первых, любая химическая реакция сводится к взаимодействию электронов с атомными ядрами. Нет нужды напоминать, как важна химия для современной промышленности, идет ли речь о создании материалов, лекарств, топлива или удобрений. Во-вторых, электроны отвечают за электрические и магнитные свойства вещества. Процессоры и жесткие диски в компьютерах или, например, магнитные катушки в аппаратах для МРТ работают потому, что физики хорошо представляют себе, как ведут себя электроны в тех или иных условиях. Наконец, за излучение, поглощение и отражение света тоже отвечают электроны. Благодаря доскональному знанию этих явлений у нас есть лазеры, светодиоды и многое другое.

Несмотря на огромный массив накопленных знаний, физикам известны далеко не все явления и процессы, которые могут происходить с электронами в веществе. Это огромный, сложный и богатый возможностями мир. Нужно продолжать его изучать, если мы хотим, чтобы технический прогресс продолжался.

Изучать — значит строить теории и проверять их экспериментом. Но как можно отследить в эксперименте процессы, происходящие за фемто- и аттосекунды?

Поймать электрон на бегу

Пытаясь сфотографировать на любительскую камеру мчащийся автомобиль, мы получаем смазанное фото. Легко понять, почему так происходит: машина движется быстрее, чем фотоаппарат формирует изображение. Это простой и универсальный принцип: наши измерения должны протекать намного быстрее, чем процесс, который мы пытаемся отследить. Когда речь идет о масштабах фемто- и аттосекунд, это превращается в настоящую проблему.

 Удивительно, но в распоряжении человечества уже есть инструменты для подобной работы. Это аттосекундные лазеры, за которые Пьер Агостини, Ференц Краус и Ан Люйе получили Нобелевскую премию по физике 2023 года. В нобелевских работах речь шла о генерации импульсов продолжительностью в сотни аттосекунд. С тех пор рекорд несколько раз обновлялся. И теперь научная группа, в которую не входит никто из лауреатов, взяла новую планку — 19,2 аттосекунды, что даже меньше атомной единицы времени.

Взгляд в окно

Опишем новое достижение в общих чертах, оставив технические детали специалистам. Прежде всего отметим: хотя авторы используют английское слово light, речь не идет о свете. Период между двумя колебаниями световой волны — одна-две фемтосекунды. Продолжительность рекордного импульса в несколько раз меньше, так что он не мог быть световым или даже ультрафиолетовым. Речь идет о рентгеновских лучах так называемого мягкого диапазона. Такое излучение уже с трудом описывается как волны, его удобнее считать потоком частиц — фотонов. Рентгеновский импульс состоял из фотонов энергией примерно от 200 до 400 электронвольт. Особенно важно, что значительная часть фотонов пришлась на так называемое водное окно. Это диапазон энергий, в котором рентгеновские лучи не поглощаются водой. Поэтому новый источник импульсов позволит отслеживать процессы, протекающие в водной среде — например, в живых клетках.

Новая веха в развитии аттосекундных лазеров потребовала свежих решений не только для собственно генерации импульса, но и для измерения его продолжительности. Ведь исследователи должны были убедиться, что импульс действительно столь краток. Разработанная авторами технология имеет все шансы стать новым стандартом экспериментов в аттосекундной науке.