Физики установили мировой рекорд, создав импульс рентгеновских лучей с продолжительностью всего 19 аттосекунд.
Это в несколько раз меньше, чем требуется электрону, чтобы обойти вокруг атомного ядра. С помощью нового инструмента ученые смогут отслеживать процессы, происходящие внутри атомов. Это достижение открывает новые перспективы в физике, химии и материаловедении. Научная статья о данном открытии опубликована в журнале с красноречивым названием Ultrafast Science, что переводится как «Ультрабыстрая наука».
На предельных скоростях
«И глазом моргнуть не успеешь» — так мы говорим о чем-то стремительном. Мигая, мы закрываем глаза лишь на пятую долю секунды, поэтому даже не замечаем мимолетной темноты. Однако существуют 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 сталкивающиеся молекулы вступают в химическую реакцию и образуют новую молекулу за несколько пикосекунд — триллионных долей секунды. Эта химическая реакция включает множество этапов, длительность 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 называется атомной единицей времени. Одна такая единица по сравнению с минутой — примерно как минута по сравнению с возрастом Вселенной. Тем не менее именно в таких единицах удобно измерять длительность событий, происходящих с электронами в атомах, молекулах и кристаллах.
Вниз по кроличьей норе
Что интересного может произойти с электронным? Очень много. Во-первых, любая химическая реакция сводится к взаимодействию электронов с атомными ядрами. Не нужно напоминать, насколько важна химия для современного производства, будь то создание материалов, лекарств, топлива или удобрений. Во-вторых, электроны отвечают за электрические и магнитные свойства вещества. Процессоры и жесткие диски в компьютерах или, к примеру, магнитные катушки в аппаратах для МРТ функционируют благодаря тому, что физики хорошо понимают, как ведут себя электроны в тех или иных условиях. Наконец, за излучение, поглощение и отражение света также отвечают электроны. Благодаря глубокому пониманию этих явлений у нас есть лазеры, светодиоды и многое другое.
Несмотря на 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. Необходимо продолжать его исследовать, если мы хотим, чтобы технический прогресс продолжался.
Изучать — значит строить теории и проверять их экспериментом. Но как можно отслеживать в эксперименте процессы, происходящие за фемто- и аттосекунды?
Поймать электрон на бегу
Пытаясь запечатлеть на любительскую камеру мчащийся автомобиль, мы получаем смазанное изображение. Легко понять, почему так происходит: машина движется быстрее, чем фотоаппарат формирует картинку. Это простой и универсальный принцип: наши измерения должны проходить намного быстрее, чем процесс, который мы пытаемся отследить. Когда речь идет о масштабах фемто- и аттосекунд, это становится настоящей проблемой.
Удивительно, но у 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 шла речь о генерации импульсов, длительность которых составляла сотни аттосекунд. С тех пор рекорд несколько раз обновлялся. И теперь научная группа, в которую не входит никто из лауреатов, взяла новую высоту — 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. Длительность 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, происходящие в водной среде — например, в живых клетках.
Новая веха в развитии аттосекундных лазеров потребовала свежих решений не только для 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 исследований в области аттосекундной науки.
Фото: hi-tech.mail.ru