Физики создали сверхмощные рентгеновские вспышки длительностью 300 аттосекунд
Международная группа физиков установила рекорд интенсивности для сверхкоротких импульсов жёсткого рентгеновского излучения. На европейском рентгеновском лазере European XFEL исследователи сфокусировали излучение в область размером всего 180 на 330 нанометров, достигнув пиковой интенсивности порядка (10^{20}) ватт на квадратный сантиметр. Разработка позволит изучать движение электронов внутри атомов и молекул на временных масштабах, ранее труднодоступных для подобных экспериментов.
Исследование провели специалисты Токийского университета, Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL), немецкого исследовательского центра DESY и других научных организаций. Эксперимент состоялся в апреле 2026 года на установке European XFEL неподалёку от Гамбурга.
Главная сложность при изучении электронов заключается в чрезвычайно высокой скорости процессов на атомном уровне. Многие изменения электронных состояний происходят за аттосекунды — промежутки времени, каждый из которых равен одной миллиардной доле миллиардной доли секунды. Чтобы исследовать такие явления, необходимы не только очень короткие импульсы излучения, но и достаточно высокая интенсивность света в области взаимодействия с веществом.
В ходе эксперимента физики использовали рентгеновские импульсы расчётной продолжительностью около 300 аттосекунд. Для их фокусировки применили усовершенствованную оптическую систему Киркпатрика — Баэза, состоящую из двух высокоточных зеркал. Одно обеспечивало фокусировку излучения по вертикали, другое — по горизонтали, причём каждый импульс испытывал четыре отражения.
Благодаря такой системе исследователи сосредоточили энергию импульсов в области размером 180 × 330 нанометров. Площадь полученного пятна примерно в 100 тысяч раз меньше площади поперечного сечения обычного человеческого волоса. При этом речь идёт именно о площади фокусировки, а не о разнице линейных размеров.
Концентрация излучения позволила достичь пиковой интенсивности порядка (10^{20}) Вт/см². Для подобных аттосекундных импульсов жёсткого рентгеновского излучения это рекордный показатель. Высокая интенсивность означает, что за чрезвычайно короткое время огромное количество энергии поступает на микроскопический участок исследуемого образца.
Чтобы проверить результат, учёные направили рентгеновские импульсы на тонкую медную фольгу. Под действием излучения электроны покидали внутренние оболочки атомов меди, оставляя свободные места. Когда электроны с более высоких энергетических уровней занимали эти вакансии, атомы испускали вторичное рентгеновское излучение.
При достаточно высокой интенсивности возникало усиленное спонтанное излучение, известное как ASE. В отличие от обычной флуоресценции, при которой фотоны распространяются в разных направлениях, здесь наблюдалось усиление излучения преимущественно вдоль определённого направления. По мере увеличения энергии импульсов сигнал сначала быстро возрастал, а затем достигал насыщения.
Именно появление насыщения позволило независимо подтвердить оценки пиковой интенсивности. Результаты эксперимента согласовались с расчётами, основанными на энергии импульсов, их продолжительности и размерах области фокусировки. Таким образом, исследователи подтвердили не только способность концентрировать излучение, но и достижение необходимой интенсивности непосредственно на образце.
Новая технология открывает возможности для изучения нелинейного взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. В таких условиях поглощение и переизлучение фотонов может происходить по более сложным механизмам, чем при обычном рентгеновском облучении. В дальнейшем сверхкороткие импульсы могут помочь исследовать перестройку электронных состояний во время химических реакций и динамику атомных систем.
Однако пока эксперимент был направлен на получение и проверку характеристик рентгеновских импульсов. Непосредственного управления движением электронов в ходе химических реакций исследователи ещё не продемонстрировали. Такая возможность рассматривается как одно из перспективных направлений дальнейшей работы.
Использованную систему зеркал доставили в Германию из Японии специально для проведения эксперимента. В начале 2027 года European XFEL рассчитывает получить собственный комплект усовершенствованной оптики. После его установки технология станет доступна другим исследовательским группам, работающим на экспериментальной станции MID.
Исследование в журнале Optica.