Аннотация:
Исследовательская группа European XFEL (Европейский XFEL) объявила, что им удалось успешно создать сверхкороткую вспышку жесткого рентгеновского излучения длительностью всего около 300 аттосекунд и установить мировой рекорд для таких импульсов по интенсивности и плотности энергии. Ожидается, что этот результат поможет ученым наблюдать динамическое поведение электронов внутри атомов и молекул с беспрецедентной точностью. Соответствующие результаты исследования опубликованы в «Оптике».
Ученые давно надеялись понять движение электронов в атомах и молекулах, чтобы глубже понять химические реакции и даже добиться активного контроля над поведением электронов в будущем. Рентгеновские лучи являются важным инструментом для изучения движения электронов, но излучение высокой энергии само по себе также может изменить испытуемый образец, поэтому исследователи должны получить достаточно информации, прежде чем в образце произойдут заметные изменения.
В этом эксперименте исследовательская группа сфокусировала рентгеновские импульсы на чрезвычайно маленькой площади, которая составляет примерно одну стотысячную поперечного сечения обычного человеческого волоса. Каждый импульс длится около 300 аттосекунд, что составляет всего одну миллиардную миллиардную долю секунды. Эксперимент был завершен в апреле 2026 года на экспериментальной станции MID европейской установки XFEL с использованием жесткого рентгеновского излучения с чрезвычайно короткими длинами волн.
Янь Цзявэй, ученый из Немецкого электронного синхротронного центра (DESY), принимавший участие в исследовании, сказал, что несколько лет назад команда продемонстрировала жесткие рентгеновские аттосекундные импульсы тераваттного уровня, но генерация сильных импульсов — это только первый шаг. Что действительно важно, так это возможность эффективно доставить эту энергию к экспериментальному образцу. Благодаря этому прорыву ученые смогли использовать рентгеновские лучи аттосекундного уровня для изучения сильно нелинейного взаимодействия между рентгеновскими лучами и веществом.
Чтобы добиться максимальной фокусировки, исследователи использовали усовершенствованную оптическую систему Киркпатрика-Баез (AKB) из Японии. Каждый рентгеновский импульс претерпевает четыре отражения от двух сверхточных зеркал, отвечающих за вертикальную и горизонтальную фокусировку соответственно. В конечном итоге рентгеновские лучи сжимаются в крошечную фокусную область размером всего 180 х 330 нанометров.
На основании расчетов энергии импульса, его длительности и размера фокуса исследовательская группа подсчитала, что его пиковая интенсивность превышала 10²⁰ Вт на квадратный сантиметр. Ичиро Иноуэ, исследователь из Токийского университета, заявил, что этот результат побивает мировой рекорд для аттосекундных импульсов жесткого рентгеновского излучения по интенсивности и потоку энергии. Среди них поток энергии используется для измерения энергии, полученной на единицу площади, а интенсивность дополнительно отражает, насколько быстро эта энергия высвобождается.
Чтобы проверить эти расчеты, исследователи облучали этими сверхинтенсивными импульсами образцы медной фольги. Рентгеновские лучи выбивают электроны из глубокой внутренней оболочки атомов меди, образуя электронные вакансии. Когда другие электроны заполняют эти вакансии, выделяется новое рентгеновское излучение. При достаточно высокой интенсивности это излучение может побудить другие возбужденные атомы меди излучать больше рентгеновских лучей в том же направлении, создавая явление, известное как усиленное спонтанное излучение (ASE), достигающее усиления сигнала.
Андерс Мэдсен, руководитель Экспериментальной станции MID, сказал, что наблюдение за этим явлением казалось почти волшебным. Нормальная флуоресценция излучает во всех направлениях, независимо от направления падающего луча; когда порог ASE превышен, исследователи могут ясно видеть, как луч постепенно сжимается и концентрируется в прямом направлении.
Результаты экспериментов показывают, что по мере увеличения энергии импульса сигнал ASE сначала быстро увеличивается, а затем имеет тенденцию к насыщению при более высоких энергиях. Исследователи отметили, что это явление насыщения происходит только при чрезвычайно высоких интенсивностях рентгеновского излучения, что обеспечивает независимую проверку ранее рассчитанных сверхвысоких интенсивностей.
Европейская XFEL планирует получить и установить собственную систему фокусировки AKB в начале 2027 года. Исследователи заявили, что после того, как система будет установлена и отлажена, научно-исследовательские группы со всего мира смогут использовать экспериментальную станцию MID для получения такой же короткой и мощной рентгеновской вспышки, открывающей новые возможности для сверхбыстрой физики, материаловедения, кинетики химических реакций и нелинейных рентгеновских научных исследований.
Комментарии