|
Новое окно в мир аттосекундных явлений
|
|
|
|
Они повсюду, вокруг нас и внутри нас. Явления, длящиеся триллионные доли секунды, составляют ядро химии и биологии. Только недавно мы начали пытаться точно регистрировать их реальный ход, с умеренным успехом. Тем не менее, физики из Кракова доказали, что новое окно в мир аттофизики может быть построено, открывая очень многообещающую перспективу. Будь то в глубине клетки или внутри пробирки, химические реакции, связанные с изменением конфигурации электронов в атомах и молекулах, происходят с поразительной скоростью. Их распространенность и важность вызывают понятное любопытство ученых, которые давно пытаются зафиксировать их эволюцию во времени. Современные методы с использованием рентгеновских лучей, разработанные до сих пор для наблюдения явлений, длящихся аттосекунды (т.е. триллионные доли секунды), предъявляют высокие требования к параметрам используемого пучка излучения. Ситуация, вероятно, улучшится в ближайшие годы благодаря новому методу измерения, предложенному группой ученых из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове.
|
|
|
|
Отслеживание хода явлений с такой скоростью, как соединение атомов в молекулы, теперь возможно главным образом благодаря рентгеновским лазерам на свободных электронах (XFEL). Эти устройства, работающие всего в нескольких местах в мире из-за их размера и стоимости строительства, генерируют ультракороткие импульсы рентгеновского излучения длительностью всего несколько фемтосекунд (то есть биллиардные доли секунды). Центры, оснащенные лазерами XFEL, используют два основных метода измерения, известные как рентгеновская спектроскопия и рентгеновская дифракция. Первый фокусируется на анализе изменений спектра излучения при его взаимодействии с образцом, а второй изучает то, как рентгеновские лучи рассеиваются на образце. Оба метода имеют одно и то же ограничение: они не позволяют «увидеть» процессы короче длительности импульса. Вот почему самые быстрые явления, наблюдаемые до сих пор на европейском лазере XFEL около Гамбурга, например, длились 5 фемтосекунд.
|
|
|
«Несколько фемтосекунд — это не очень долго, но это все же не мир аттофизики. Чтобы добраться до этого, мы обратились к хроноскопии, то есть к методике, которая анализирует, как импульсы меняют свою форму во времени. Теоретически мы показали что этот метод можно успешно использовать для ультракоротких рентгеновских импульсов для получения информации об изменениях формы импульсов до и после взаимодействия с образцом», — говорит д-р Войцех Блачуцкий (IFJ PAN), первый автор статьи в Прикладные науки. В данной публикации показано, что в случае ультракоротких лазерных импульсов можно измерить их временную структуру, т. е. получить информацию о форме импульса. Этот подход потенциально позволяет делать выводы из мира аттофизики даже при текущем состоянии технического развития XFEL. Если бы лазерный импульс длился хотя бы 20 фемтосекунд, но информацию о его временной структуре можно было бы восстановить, скажем, в 100 точках, то можно было бы заметить явления, происходящие в момент времени 20/100 = 1/5 фемтосекунды, т.е. , 200 аттосекунд.
|
|
|
|
Важно отметить, что в настоящее время иногда удавалось достичь временного разрешения менее одной фемтосекунды, но при этом приходилось существенно снижать интенсивность лазерного луча. Эта процедура имеет сильные побочные эффекты. Время облучения образцов удлиняется до многих часов, что на практике делает невозможным проведение прикладных исследований. Рентгеновская хроноскопия не имеет этого ограничения и снимает требования к импульсам излучения за счет использования чувствительного метода измерения их временной структуры. После его внедрения существующие лазерные центры могли бы посвятить часть своего рабочего времени аттосекундным измерениям, выполняемым для внешних объектов, например, связанных с промышленностью.
|
|
|
|
Однако пройдет еще несколько лет, прежде чем рентгеновская хроноскопия станет стандартным методом исследования. Первым шагом к его реализации будет демонстрация того, что средние длительности лазерного импульса до и после взаимодействия с образцом различны. Это было бы экспериментальным подтверждением правильности метода, описанного краковскими физиками. Лишь на следующем этапе исследователи сосредоточатся на более точной реконструкции временной структуры импульсов до и после контакта с образцом. «Предлагаемая нами методика измерений не ограничивается только лазерами на свободных электронах, а носит универсальный характер. Таким образом, она может быть успешно использована и в случае других источников, генерирующих ультракороткие рентгеновские импульсы, таких как Extreme Light Инфраструктурный объект находится недалеко от Праги», — подчеркивает д-р Якуб Шлачетко (IFJ PAN).
|
|
|
|
Источник
|
