Фізики з Технічного університету Відня (TU Wien) та Університету Каліфорнії в Сан-Дієго зруйнували підручникове правило лазерної фізики: їм вдалося отримати рентгенівське випромінювання з енергіями, які значно перевищують межу, передбачену класичною теорією. Як повідомляє ScienceDaily, ключем виявилася узгоджена робота двох електронів в атомі гелію, які вивільняють свою енергію одночасно.
Як лазери зазвичай створюють рентгенівські імпульси
Уже десятиліттями відомо, що потужне лазерне світло може змусити атоми випромінювати надкороткі імпульси світла набагато вищої частоти, аж до рентгенівського діапазону. Механізм, який лежить в основі цього процесу, добре описаний для одного електрона.
За словами професора Теніо Попмінчева (Tenio Popmintchev) з Інституту фотоніки TU Wien, лазерне поле «вириває» електрон з атома і прискорює його в електричному полі. Потім поле змінюється, електрон повертається до атома і при зіткненні віддає набрану енергію у вигляді фотона світла.
Під час такого повернення електрон може випромінити цілий спектр частот, значно вищих за частоту самого лазера. Саме цей механізм у 1990-х роках використав нобелівський лауреат Ференц Крауш для перших експериментів в атосекундній фізиці. Теніо Попмінчев та його колеги нині працюють в тому ж інституті TU Wien, але намагаються вийти за межі класичного опису процесу.
Теорія для одного електрона передбачає так званий енергетичний «зріз» (cutoff): вище певної максимальної частоти інтенсивність випромінювання різко падає, і отримати суттєвий сигнал уже «неможливо». Саме цю межу й вдалося перевищити в новому експерименті.
Коли працюють двоє: роль корельованих електронів
Дослідники вирішили перевірити, що станеться, якщо в процесі братимуть участь не один, а два електрони. Для цього вони спрямували інтенсивні ультрафіолетові (УФ) лазерні імпульси на атоми гелію, які мають два електрони на зовнішній оболонці.
У таких умовах перший електрон виривається і прискорюється полем лазера, а згодом те саме відбувається з другим електроном. Хоча вони звільняються в різні моменти часу, їхній рух залишається пов’язаним через квантові кореляції — тобто їх не можна розглядати як повністю незалежні частинки.
Завдяки точному налаштуванню УФ-імпульсів команда змогла організувати так, щоб обидва електрони поверталися до атома одночасно. Постдок Димітар Попмінчев (Dimitar Popmintchev) пояснює, що в такому випадку енергія двох електронів вивільняється одразу, «одним пакетом». Коли доступно більше енергії, може народитися один рентгенівський фотон з набагато вищою частотою, ніж у стандартному одноелектронному сценарії.
Таким чином, замість того щоб обмежуватися енергією одного поверненого електрона, система використовує сумарну енергію двох корельованих електронів. Це й дозволяє подолати звичний енергетичний зріз.
Неочікуваний сигнал у спектрі рентгенів
Про те, що двоелектронний механізм справді працює, свідчать вимірювання спектра випромінювання. У діапазоні когерентного рентгенівського світла дослідники побачили другу область стійкого випромінювання — так зване додаткове «плато» на значно вищих енергіях фотонів, ніж передбачає стандартна теорія.
Це високоенергетичне плато було слабшим за основне, але простягалося далеко за межі раніше відомого енергетичного діапазону. Важливо, що такий сигнал з’являвся лише у випадку з гелієм. Коли ті самі експерименти проводили з аргоном і неоном, зовнішні електрони цих атомів не демонстрували подібної поведінки.
Ця відмінність є вагомим аргументом на користь запропонованого пояснення. У гелію кореляції між двома електронами особливо сильні, що й дає змогу їм діяти узгоджено та вивільняти енергію одночасно. У аргону й неону за використаних умов такого ефекту не спостерігали.
Новий інструмент для вивчення квантових систем
Отримання рентгенівських фотонів надзвичайно високої енергії — не єдина цінність цього результату. Вчені вважають, що незвичне когерентне рентгенівське випромінювання може стати чутливим спектроскопічним «датчиком» електрон-електронних кореляцій.
Аналізуючи форму спектра, його максимальну енергію та залежність від поляризації лазерного світла, можна отримувати інформацію про те, як взаємодіють електрони всередині атомів і матеріалів. Ці процеси відбуваються на атосекундних часових масштабах (одна атосекунда — це мільярдна частка мільярдної частки секунди), і спостерігати їх напряму надзвичайно складно.
У перспективі той самий принцип можуть поширити з окремих атомів гелію на молекули та тверді тіла, де електрони взаємодіють ще сильніше. Метод, відомий як генерація високих гармонік, колись зробив можливою атосекундну фізику, а тепер виявляється здатним розкривати й колективну поведінку багатьох квантових частинок.
Такі знання можуть стати корисними для досліджень у галузі квантових технологій, зокрема квантових обчислень, а також для розуміння й проєктування наноматеріалів із точно керованими властивостями. Результати роботи опубліковано в журналі Nature Photonics.