Перші кроки атофізики

Первые кроки аттофизики

Е.Онищенко.

На результаті минулого тисячоліття (1999 року) Нобелівської премією відзначалося дослідження надшвидких хімічних реакцій. Однією з примітних успіхів фізики із початком тисячоліття з’явився прорив у генерації ультракоротких імпульсів електромагнітного випромінювання (тривалістю менше від однієї фемтосекунды!), що було народження нової області «аттофизике » .

Прежде що розмовляти про аттофизике, розберемося, звідки відбувається цю назву. Приставки нано-, піко-, фемтоі аттоперед назвою одиниця виміру фізичної величини означають одиницю виміру, складову, відповідно, 10−9, 10−12, 10−15 і 10−18 від вихідної; зокрема, 1 аттосекунда (ас) = 10−18 з. Аттофизикой називають область фізики, пов’язану з дослідженням быстропротекающих фізичних процесів з аттосекундными тимчасовим дозволом (буде в діапазоні від 10−18 з до 10−15 з).

.

Рис. 1. Характерні тимчасові масштаби різних фізичних процесів (зображена тільки процеси тривалістю менш 1 нс, отже верхня тимчасова кордон у окремих випадках суто умовна). За віссю ординат показаний енергетичний діапазон фотонів, необхідних дослідження тих чи інших процесів (із роботи [1]).

Устремляясь вперед, іноді корисно кинути погляд тому за пройдений шлях. Створення лазерів дало наймогутніший поштовх розвитку нові й вдосконаленню старих оптичних методів дослідження речовини. Стала можливою з допомогою імпульсів малої тривалості вивчати динаміку швидких процесів, які протікають в атомах, молекулах i твердих тілах. Якщо 60-ті роки минулого століття розпорядженні учених виявилися імпульси наносекундной тривалості, що дозволяло досліджувати процеси з характерною тривалістю кілька десятків і сотні наносекунд, то наступні десятиліття розвинулися способи генерувати пикосекундные і фемтосекундные імпульси, що відкрило перед наукою здавалися раніше неймовірними можливості. На рис. 1 схематично показані характерні тимчасові масштаби деяких атомних, молекулярних і твердотільних фізичних процесів. З малюнка можна побачити, що пікоі фемтосекундное дозвіл дозволяє вивчати коливальне і обертальне внутримолекулярное рух, динаміку носіїв в напівпровідниках (і напівпровідникові наноструктури), фазові переходи в твердих тілах, формування та розрив хімічних зв’язків тощо.

В 90-ті роки фемтосекундные лазери з екзотики перетворилися на нормальний (хоч і дуже дешевий) інструмент наукових досліджень про, що легко помітити навіть із нашим новин. Побачити «роботу «фемтосекундных лазерів за повідомленнях нагляд поверхневих хімічних реакцій з фемтосекундным дозволом і спостереженні электронно-дырочной рідини в алмазі, про оптичної мікроскопії з дозволом порядку 30 нм (!) і новому оптичному методі дослідження магнітних структур … Понад те, що фемтосекундные лазери «не вдовольнились «роллю зручного і потенційно корисного інструмента: можливість отримання потужних фемтосекундных імпульсів призвело до появи нової, бурхливо що розвивається, області - настільною фізики високих енергій .

К кінцю 90-х було відпрацьовано техніка генерації гранично коротких (тривалістю в 2−3 періоду оптичного поля, тобто. порядку 5 фс) фемтосекундных імпульсів (це можна прочитати в огляді, присвяченому генерації ультракоротких фемтосекундных імпульсів [1]). Просування убік ще більше коротких імпульсів з фундаментальних обмежень не дозволяло залишатися у ближньому інфрачервоному чи оптичному діапазоні хвиль. У фізиків залишався єдина можливість: перехід до більш коротковолновому випромінюванню, до області далекого ультрафіолету — м’якого рентгена.

Плодотворная дебютна ідея полягало у конвертації частини енергії коротких фемтосекундных імпульсів оптичного діапазону на більш коротковолновое випромінювання (генерація високих гармонік — випромінювання із частотою, кратної частоті початкового імпульсу) з використанням надшвидких нелінійних оптичних ефектів. Такий ефект передбачалося у процесі взаємодії потужних (і якомога більш коротких) лазерних імпульсів з речовиною (наприклад, з газом).

.

Рис. 2. Розрахунки — генерація високочастотного випромінювання при дії потужних імпульсів 10 фс (зліва) і п’яти фс (справа) на газову мішень. Вгорі інтенсивність высокоэнергетичного випромінювання; внизу — тимчасові залежності для напруженості «фемтосекундного «лазерного поля і генерированного высокоэнергетичного випромінювання (номери гармонік вказані малюнку) (із роботи [2]).

Если оптичний імпульс досить могутній і добре сфокусований (щільність потужності порядку 1015 Вт/см2 і від), то напруженість електричного поля, чинного на атоми, стає можна з внутриатомным електричним полем (порядку 109 В/см), тобто. стає достатньої, щоб викликати іонізацію атома з допомогою придушення кулонівського бар'єру. Визволений з атома електрон робить коливальне спрямування полі лазерного імпульсу; оскільки полі сильно, електрон може отримувати у своїй велику кінетична енергію. Прискорений електричним полем електрон відчуває співудару з атомами (у досить розріджених газах зазвичай з «батьківськими іонами «- атомами, з яких був вибито). При зіткненнях досить высокоэнергетичных електронів з іонами має місце гальмівне випромінювання — електрон втрачає енергію, випромінюючи кванти електромагнітного поля (їхня енергія обмежена згори максимально можливої енергією налетающего на іон електрона). Відтак короткий час (багато менше оптичного періоду збудливого імпульсу) відбувається генерація короткохвильового випромінювання (див. рис. 2). З допомогою наборів фільтрів чи дзеркал з широкого спектра високочастотного випромінювання то, можливо виділено необхідна гармоніка — імпульс короткохвильового випромінювання з тривалістю менш 1 фс.

Но у науці недостатньо «просто «отримати якийсь ефект — необхідно його надійно зареєструвати, іноді зовсім по-іншому легко (див., наприклад, замітку про набуття великої кількості атомів антиводню у ЦЕРН). Саме собою поява випромінювання в ультрафіолетовому чи м’якому рентгенівському діапазоні в результаті потужного короткого лазерного імпульсу на «газову мішень «ще свідчить, що сталася генерація саме аттосекундного імпульсу, а чи не імпульсу більшої тривалості. Необхідна методика, що дозволяє визначати тривалість народженого сверхкороткого імпульсу, тимчасове ж дозвіл існували донедавна методик не перевищувало кількох фемтосекунд. Тож формального оголошення народженні аттофизики потрібно було спочатку розробити способи виміру тривалості аттосекундных імпульсів. Такі способи розробили (див., до прикладу, нашу новина як виміряти тривалість сверхкороткого імпульсу?), й у початок нової тисячоліття людство официпально перейшло лише «аттосекундную еру «[3].

Дав вище визначення аттосекунды і аттофизики, ми формально пояснили, що йде мова. Але складно позбутися деякою незадоволеності, що з тим, що наведені цифри неспроможна передати, як неймовірно малі тимчасові масштаби скорилися науці. Адже вісімнадцять порядків — різниця непредставимая, її неможливо «відчути »: настільки сильному розбіжності масштабів немає у людському сприйнятті. Єдине, які можна зробити — спробувати знайти аналогію, більш-менш доступну нашому свідомості.

Зададимся питанням, який «людський квант часу », тобто. дрібна доступна людському сприйняттю «частка часу ». Це, звісно, не секунда — величина, введена штучно, — а мить, мить. Хоча у наш «точний «століття слова мить і мить сприймаються «расплывчато-поэтически «(«зупинися, мить, ти чудово »), спочатку же сенс їх був конкретнішим. Зрозуміти може бути, згадавши такі фрази — «в мить ока », «навіть моргнути я не встиг » .

Итак, мить — процес з тривалістю в десяті частки секунд. Спробуємо прирівняти мить до двох величинам — микросекунде і аттосекунде, і уявити, з чим можна буде зіставити у разі секунду. Для мікросекунди особливих труднощів виникнути на повинен: мільйон хоча й велика, але яка трапляється у повсякденному житті величина (чи то мільйон жителів міста, чи мільйон рублів), відповідно, і жодна мільйонна частка чогось цілком представима. Не дивно, що «аналог секунди «буде цілком людським: мікросекунда стосуватиметься до секунді приблизно як мить належить до трьох дням. Не так ситуація з аттосекундой: уподібнивши її мгновенью, ми виявимо, що секунда такі масштабні уподібниться … часу життя Всесвіту!

Но залишимо осторонь лірику і пробуємо розібратися, як і як вивчається в новонародженої галузі. Якщо нас аттосекунда перебуває далеко за межами уявлення, те, як це випливає з рис. 1, це цілком закономірний масштаб перебігу процесів у внутрішніх електронних оболонках атомів. Природно припустити, що аттофизика пов’язані з дослідженням динаміки електронів внутрішніх оболонок. Тому, перш ніж казати про проведених експериментах, треба сказати кілька слів про що вивчались процесах.

.

Рис. 3. a — схематичне зображення енергетичної структури атома і процесів енергетичної релаксації електронів на внутрішніх електронних оболонках атома після іонізації; b — фотоэлектроны залишають атом під час t x, однакову тривалості імпульсу рентгенівського випромінювання, оже-электроны залишають атом за істотно більше часу, t H — характерний масштаб — тривалість життя вакансії на внутрішньої електронної оболочке.

Излучение з досить високої енергією може вибити електрон з внутрішніх електронних оболонок атома (рис. 3a, процес a). І тут кажуть, що у внутрішньої електронної оболонці утворюється вакансія (показано на рис.3a фіолетовим гуртком). Такий стан хитке і електронна підсистема прагнути мінімізувати енергію з допомогою заповнення вакансії електроном з однієї з вышележащих рівнів енергії атома. Выделяющаяся під час переходу на нижележащий рівень енергія то, можливо испущена як кванта характеристичного рентгенівського випромінення чи передано третьому електрону, який залишає атом (процеси b і з на рис.3a, електрони позначені зеленим). Перший процес більше ймовірний при енергії зв’язку електрона Wh, перевищує 1 кэВ, другий — для легких атомів і зв’язку електрона, яка перевищує 1 кэВ.

Второй процес називається ефектом Оже, а електрон, якому передали надлишок енергії, — оже-электроном. Енергія оже-электрона залежить від енергії збудливого випромінювання, а визначається структурою енергетичних рівнів атома (в позначеннях рис.3a Wkin = Wh — W1 — W2). У результаті кінцівки часу життя атома в порушену стані існує певний розкид енергій оже-электронов (схематично показано на рис. 3a). Реєструючи енергетичний спектр оже-электронов, можна, відповідно, одержувати інформацію про ті часи життя вакансій на внутрішніх електронних оболонках. Звісно, таким чином можна було одержати деяку інформацію динаміку електронних процесів на внутрішніх оболонках атомів лише у найпростіших випадках. Безпосередні тимчасові виміру здатні дати більш багату інформації і, у принципі, мають більшої універсальністю. Але необхідною передумовою тимчасових вимірів є дещицю тривалості ионизующего імпульсу проти характерним часом релаксації, тому, повторимося, на дослідження динаміки електронних процесів на внутрішніх оболонках необхідно використовувати аттосекундные імпульси.

Аттофизика робить поки перші кроки, тому не дивно, що попервах вирішили «попрактикуватися «досить добре вивченій іншими методами системі. У свіжій роботі учених із Технічного університету Відня (Австрія) і Билефельдского унивеситета (Німеччина) [4] з допомогою аттосекундных імпульсів провели дослідження динаміки релаксації електронів внутрішніх електронних оболонок атома криптона. Як-от, вчені використовували аттосекундную спектроскопию визначення часу життя вакансії на M-оболочке атома криптона. Спробуємо з прикладу піонерської роботи зрозуміти в найзагальніших рисах принципи роботи аттосекундной спектроскопії. Схема експерименту показано на рис. 4. Атоми криптона, вылетающие з форсунки, перебувають у фокусі подвійного дзеркала, що дозволяє фокурировать щодо одного місці випромінювання ближнього інфрачервоного діапазону (з допомогою зовнішнього металевого шару) і м’якого рентгенівського випромінювання (з допомогою багатошарового Mo/Si рентгенівського дзеркала). Іонізація атомів криптона проходила допомогою імпульсу рентгенівського випромінювання (з енергією 97 еВ) тривалістю порядку 900 ас. Для контролю над динамікою процесу релаксації електронної системи за аттосекундным приходив тестовий фемтосекундный імпульс (тривалість менш 7 фс, енергія фотонів порядку 1.6 еВ), а тривалість проміжку між приходом аттосекундного і фемтосекундного імпульсів (час затримки D t) варьировалась.

.

Рис. 4. a — зміна імпульсу електрона під впливом електричного поля фемтосекундного імпульсу; b — cхема експерименту.

Выбитый з атома оже-електрон піддається впливу досить потужного електричного поля фемтосекундного імпульсу, у результаті імпульс електрона змінюється згодом (див. рис. 4a). Підсумкове зміна імпульсу (а, отже, і) електрона D р залежить від часу впливу світлового поля на електрон, тобто. і південь від моменту, коли електрон «вилетів «з атома, і зажадав від часу затримки D t (см. рис. 4b). Відповідно, енергетичний спектр електронів, реєстрований з допомогою время-пролетных вимірів (за часом прольоту від місця генерації до детектора) залежить від D t. Маючи набір енергетичних спектрів, отриманих що за різних часи затримки, можна намагатися відновити тимчасову картину генерації оже-электронов (див. рис. 3b). Причому, оскільки імпульс електрона змінюється від середнього до максимального значення за чверть оптичного періоду фемтосекундного імпульсу, тимчасове дозвіл методики у принципі може досягати десятих часткою оптичного періоду.

В проведених експериментах з допомогою як і «двухцветовой «(з використанням випромінювання м’якого рентгенівського та близького інфрачервоного діапазону) методики вдалося визначити тривалість життя вакансії на M-оболочке атома криптона t H — порядку 8 фс, що збігаються з результатами, отриманими іншими методами. Хоча перший крок було аттофизики вдалий, але у тому, щоб рухатися вперед, теоретикам знадобляться чимало трудитися: реальну картину еволюції многоэлектронной системи під впливом потужних полів може бути досить складна.

В висновок дозволимо собі трохи пофантазувати. І сьогодні стає реальністю дослідження динаміки електронів внутрішніх оболонок, яких чергових проривних досягнень очікується, а то й «завтра », то хоча б «післязавтра «- за кілька десятиліть? Хочеться вірити, що з два — десятиліття вдасться «спуститися вниз «поки що не кілька порядків навчитися генерувати сверхультракороткие імпульси гамма-випромінення, які дозволять ученим досліджувати динаміку ядерних процесів…

Список литературы.

1. Thomas Brabec and Ferenc Krausz. Rev.Mod.Phys., v.72, 545 (2000).

2. Ivan P. Christov, Margaret M. Murane, and Henry C.Kapteyn. Phys.Rev.Lett., v.78, 1251 (1997).

3. M. Drescher, M. Hentschel, R. Kienberger et al., Science v.291, 1923 (2001).

4. M. Drescher, M. Hentschel, R. Kienberger et al. Nature, v.419, 803 (2002).

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.