Vědci učinili významný pokrok v manipulaci s extrémně krátkými záblesky světla známými jako attosekundové pulsy. Výzkumníci z Institutu Maxe Borna (MBI) a DESY prokázali plazmovou čočku schopnou zaostřit tyto pulsy, což je průlom, který slibuje výrazné zvýšení výkonu dostupného pro studium neuvěřitelně rychlých pohybů elektronů. Výsledky publikované v Nature Photonics otevírají vzrušující nové možnosti pro pochopení a řízení chování elektronů v atomech, molekulách a pevných materiálech.
Pochopení attosekundových pulzů a problému se zaostřováním
Attosekundové pulsy – trvající pouhou miliardtinu miliardtiny sekundy – jsou kritickými nástroji pro pozorování a manipulaci s pohybem elektronů. Avšak zaostření těchto pulzů, které jsou v extrémních ultrafialových (XUV) a rentgenových oblastech elektromagnetického spektra, bylo historicky velkou překážkou. Stávající tradiční metody se ukazují jako nedostatečné.
- Zrcadla: Přestože se široce používají, mají nízkou odrazivost a rychle se rozkládají.
- Konvenční čočky: Jsou účinné pro viditelné světlo, ale nejsou vhodné pro attosekundové pulzy, protože absorbují XUV světlo a prodlužují dobu trvání pulzu.
Inovativní řešení s plazmovou čočkou
Výzkumný tým tento problém překonal vyvinutím nové plazmové čočky. Proces zahrnuje aplikaci silných elektrických pulzů na plynný vodík obsažený v malé nádobě. To rychle zbaví atomy vodíku elektrony a vytvoří plazmu, stav hmoty, ve kterém jsou elektrony odděleny od atomů. Elektrony se přirozeně šíří ven a vytvářejí plazmatickou strukturu, která připomíná konkávní čočku.
Je důležité si uvědomit, že na rozdíl od konvenčních materiálů plazma láme světlo způsobem, který umožňuje attosekundové pulsy zaostřit, nikoli rozptylovat.
Klíčové výhody a výsledky
Nová plazmová čočka má řadu klíčových výhod:
- Širokospektrální ostření: Objektiv dokáže efektivně zaostřit attosekundové pulsy v širokém rozsahu vlnových délek XUV.
- Nastavitelná ohnisková vzdálenost: Ohniskovou vzdálenost objektivu lze upravit řízením hustoty plazmy.
- Vysoká propustnost: Výzkumníci dosáhli propustnosti vyšší než 80 %, což znamená, že značná část attosekundových pulzů prošla čočkou.
- Výměna infračerveného filtru: Plazmová čočka účinně filtruje infračervené řídicí impulzy, které by normálně vyžadovaly samostatné kovové filtry. Odstranění potřeby těchto filtrů má za následek výkonnější a intenzivnější attosekundový světelný zdroj.
Úspora ultra rychlého trvání pulzu
Aby vědci plně charakterizovali výkon plazmové čočky, provedli podrobné počítačové simulace. Tyto simulace ukázaly, že attosekundové pulsy zaznamenaly po zaostření pouze mírné prodloužení trvání – z 90 na 96 attosekund. Navíc za realistických podmínek, kdy se složky pulzu šíří s mírným zpožděním, plazmová čočka pulzy skutečně komprimovala a zkrátila jejich trvání ze 189 na 165 attosekund.
Tento průlom značně rozšiřuje možnosti attosekundových experimentů, které jsou často omezeny dostupnou intenzitou světla.
Vývoj této plazmové čočky představuje významný pokrok v oblasti ultrarychlé optiky a nabízí vědcům nový výkonný nástroj pro sondování základní elektronové dynamiky a připravuje půdu pro inovativní aplikace v oborech, jako je materiálová věda a kvantová technologie.
