Аттосекунды: 4. Электроны на службе аттофизики

Движение электронов в атоме может помочь в получении аттосекундного светового импульса. Здесь показана потенциальная энергия электрона в атоме под действием сильного переменного электрического поля световой волны. Изображение с сайта nature.com

В аттофизике есть впечатляющий пример того, как ученые умудрились обратить трудность себе во благо. Они придумали, как сделать из того, что представляло для них фундаментальное ограничение природы, новый метод исследования.

Вот смотрите. Изучать быстро протекающие процессы можно с помощью сверхкоротких лазерных импульсов. Но тут есть некоторое несоответствие масштабов. С одной стороны, мы уже знаем, что типичное время движения электронов внутри атомов — это аттосекундный диапазон. С другой стороны, самые короткие импульсы видимого света длятся существенно дольше, как минимум несколько фемтосекунд. Получается, этот замечательный инструмент — слишком медленный для изучения поведения электронов в атоме. Для этого нужны еще более короткие световые импульсы, уже в далеком УФ-диапазоне. Их получать можно, но трудно.

И вот тут физики решили заставить электроны внутри атома помочь им в этой задаче. Идея этого метода показана на рисунке. Сначала на атом пускают мощный, но вполне обычный световой импульс фемтосекундной длительности. Электрон в атоме чувствует не только притяжение ядра, но и сильное электрическое поле этого светового импульса — причем это поле настолько сильное, что оно начинает вытягивать электрон из атома. Правда, это поле переменное, поэтому через полпериода электрон не улетает, а возвращается обратно и бьет по атому — причем бьет с силой! В момент этого удара за счет взаимодействия электронов друг с другом рождается сверхкороткая вспышка электромагнитного излучения. Всё это происходит за краткое мгновение — краткое даже по масштабам световой волны! Поэтому и вспышка получается длительностью в сотни аттосекунд.

Сейчас эта идея активно разрабатывается и совершенствуется. Есть даже предложение с помощью тонкой игры двух излучающих электронов уменьшить длительность отдельных импульсов вплоть до одной аттосекунды. Такой инструмент стал бы поистине шикарным подарком для экспериментальной аттофизики.

Улучшенная версия этой же идеи позволит сгенерировать импульсы рентгеновского излучения с длительностью даже меньше 1 ас. Изображение с сайта physicsworld.com