Исследователи Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США в сотрудничестве с международными научными группами впервые экспериментально получили и измерили сверхкороткие жесткие рентгеновские импульсы длительностью от 100 до 400 аттосекунд на лазере на свободных электронах LCLS.
Рекордные аттосекундные импульсы на установке LCLS
Специалисты Linac Coherent Light Source (LCLS) установили новый рекорд, сгенерировав самые короткие высокоэнергетические рентгеновские импульсы, когда-либо зафиксированные на рентгеновском лазере на свободных электронах (XFEL). Достижение подробно описано в журнале Nature Photonics в исследовании, опубликованном 20 октября 2026 года.
Полученные вспышки жесткого рентгеновского излучения обладают фотонной энергией около 9 килоэлектронвольт (кэВ) и длятся от 100 до 400 аттосекунд. Это первая диагностика, доказавшая, что импульсы действительно укладываются в несколько сотен аттосекунд. Ранее, в 2019 году, группа под руководством Агостино Маринелли уже генерировала аттосекундные рентгеновские лучи, но в низкоэнергетическом «мягком» диапазоне ниже 5 кэВ.
Метод косвенного измерения с помощью усиленного спонтанного излучения
Создать аттосекундный импульс невероятно сложно, но измерить его еще труднее. По словам Агостино Маринелли, профессора SLAC и автора исследования, ученые учились создавать такие высокоэнергетические импульсы несколько лет, однако точная диагностика оставалась серьезным препятствием. Решение предложил ведущий автор работы Ичиро Иноуэ, профессор Университета Токио.
Агостино Маринелли отметил, что «на протяжении нескольких лет мы учились создавать эти высокоэнергетические аттосекундные импульсы, но измерять импульсы столь малой длительности действительно очень сложно. Это первая диагностика, которая доказывает, что импульсы и в самом деле длятся всего несколько сотен аттосекунд», сообщает Interesting Engineering.
Команда применила метод непрямого измерения на основе усиленного спонтанного излучения (ASE). Высокоэнергетический луч разделяли на два потока: одна часть поступала прямо на детектор для записи энергетического спектра, а остальная фокусировалась в пятно шириной 150 нанометров на медной фольге толщиной 20 микрометров для создания флуоресценции. Анализ нелинейного выхода усиленного спонтанного излучения позволил ученым вычислить точную длительность вспышек и выявить колебания от 100 до 400 аттосекунд при разных выстрелах лазера. Расчеты показывают, что часть коротких импульсов оказалась близка к пределу преобразования Фурье.
Проникновение в плотные плазменные среды и замораживание движения электронов
Новый инструмент открывает возможности для изучения процессов, которые раньше оставались недоступными из-за ограничений по энергии и скорости. Мягкие рентгеновские лучи подходят для исследования внешних оболочек атомов, тогда как жесткий рентген с энергией выше 5 кэВ проникает глубоко в плотное вещество с атомной точностью.
Сам Винко заявил, что «физика плазмы — это очень сложная область; обычно мы возбуждаем образец, после чего система релаксирует и рекомбинирует до того, как мы успеваем произвести измерение. Мы часто вынуждены полагаться на моделирование и делать предположения о том, что именно происходит», сообщает Stanford.
Физик Сам Винко из Оксфордского университета отметил, что прошедшей весной на LCLS впервые удалось исследовать состояние плазмы в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу и в звездах до того, как система успела рекомбинировать. Ученые смогли зафиксировать возбужденные состояния ядер в замороженном виде.
Защита образцов от радиационного повреждения и перспективы лазерного контроля
Еще одно преимущество жестких аттосекундных импульсов заключается в их способности опережать лучевые разрушения. Рентгеновское излучение обычно повреждает исследуемые объекты, но ультракороткие вспышки завершаются раньше, чем успевают развиться процессы деструкции.
Ичиро Иноуэ сообщил, что «сами рентгеновские импульсы наносят ущерб электронным состояниям материи, но с помощью аттосекундных импульсов мы можем зафиксировать электронное состояние в его первозданном виде, по сути опережая повреждения», передает Stanford.
Исследователи рассчитывают использовать технологию для улучшения наноразмерной визуализации и разделения ядерной и электронной динамики. Таис Горкховер из Университета Гамбурга указывает, что такие импульсы могут стать инструментом для управления взаимодействием света и материи на фундаментальном уровне.
Таис Горкховер отметила, что «если мы посмотрим даже шире временного разрешения, то сможем увидеть аттосекундные импульсы как новый инструмент для управления взаимодействием света и материи теми способами, о которых исследователи раньше могли только мечтать», сообщает Stanford.
Полученные результаты открывают аттосекундную науку для широкого круга исследователей, работающих с установкой LCLS при поддержке Управления науки Министерства энергетики США.
Продолжение темы
