Naukowcy poczynili znaczne postępy w manipulowaniu niezwykle krótkimi impulsami światła, zwanymi impulsami attosekundowymi. Naukowcy z Instytutu Maxa Borna (MBI) i DESY zademonstrowali soczewkę plazmową zdolną do skupiania tych impulsów, co stanowi przełom, który może znacząco zwiększyć moc dostępną do badania niewiarygodnie szybkich ruchów elektronów. Wyniki opublikowane w Nature Photonics otwierają nowe, fascynujące możliwości zrozumienia i kontrolowania zachowania elektronów w atomach, cząsteczkach i materiałach stałych.
Zrozumienie impulsów attosekundowych i problemu ogniskowania
Impulsy attosekundowe – trwające zaledwie miliardową części miliardowej sekundy – są kluczowymi narzędziami do obserwacji ruchu elektronów i manipulowania nim. Jednak skupianie tych impulsów, które znajdują się w ekstremalnym ultrafiolecie (XUV) i promieniach rentgenowskich widma elektromagnetycznego, było w przeszłości główną przeszkodą. Istniejące tradycyjne metody okazują się niewystarczające.
- Lustra: Chociaż są szeroko stosowane, mają niski współczynnik odbicia i szybko ulegają degradacji.
- Soczewki konwencjonalne: Są skuteczne w świetle widzialnym, ale nie nadają się do impulsów attosekundowych, ponieważ pochłaniają światło XUV i wydłużają czas trwania impulsu.
Innowacyjne rozwiązanie z soczewką plazmową
Zespół badawczy przezwyciężył ten problem, opracowując nową soczewkę plazmową. Proces polega na zastosowaniu silnych impulsów elektrycznych do gazowego wodoru zawartego w maleńkim naczyniu. To szybko pozbawia atomy wodoru elektronów, tworząc plazmę, stan materii, w którym elektrony są oddzielone od atomów. Elektrony w naturalny sposób rozprzestrzeniają się na zewnątrz, tworząc strukturę plazmy przypominającą soczewkę wklęsłą.
- Należy pamiętać, że w przeciwieństwie do materiałów konwencjonalnych, plazma załamuje światło w sposób, który umożliwia skupienie impulsów attosekundowych, a nie ich rozproszenie.*
Kluczowe korzyści i wyniki
Nowa soczewka plazmowa ma wiele kluczowych zalet:
- Ogniskowanie szerokiego spektrum: Obiektyw może skutecznie skupiać impulsy attosekundowe w szerokim zakresie długości fal XUV.
- Regulowana ogniskowa: Ogniskową obiektywu można regulować, kontrolując gęstość plazmy.
- Wysoka transmitancja: Naukowcy osiągnęli transmitancję większą niż 80%, co oznacza, że znaczna część impulsów attosekundowych przeszła przez soczewkę.
- Wymiana filtra podczerwieni: Soczewka plazmowa skutecznie filtruje impulsy kontrolne podczerwieni, które normalnie wymagałyby oddzielnych filtrów metalowych. Wyeliminowanie potrzeby stosowania tych filtrów skutkuje mocniejszym i intensywniejszym attosekundowym źródłem światła.
Zapisywanie ultraszybkiego czasu trwania impulsu
Aby w pełni scharakteryzować działanie soczewki plazmowej, badacze przeprowadzili szczegółowe symulacje komputerowe. Symulacje te wykazały, że czas trwania impulsów attosekundowych uległ jedynie nieznacznemu wydłużeniu – z 90 do 96 attosekund – po skupieniu. Co więcej, w realistycznych warunkach, gdy składowe impulsu rozchodzą się z niewielkim opóźnieniem, soczewka plazmowa faktycznie skompresowała impulsy, skracając ich czas trwania ze 189 do 165 attosekund.
Ten przełom znacznie rozszerza możliwości eksperymentów attosekundowych, które często są ograniczone dostępnym natężeniem światła.
Opracowanie tej soczewki plazmowej stanowi znaczący postęp w dziedzinie ultraszybkiej optyki, oferując naukowcom nowe, potężne narzędzie do badania podstawowej dynamiki elektronów i torujące drogę innowacyjnym zastosowaniom w takich dziedzinach, jak inżynieria materiałowa i technologia kwantowa.
