Ученые добились значительного прогресса в манипулировании чрезвычайно короткими вспышками света, известных как аттосекундные импульсы. Исследователи из Института Макса Борна (MBI) и DESY продемонстрировали плазменную линзу, способную фокусировать эти импульсы, что является прорывом, который обещает значительно повысить мощность, доступную для изучения невероятно быстрых движений электронов. Результаты, опубликованные в Nature Photonics, открывают захватывающие новые возможности для понимания и контроля поведения электронов в атомах, молекулах и твердых материалах.
Понимание аттосекундных импульсов и проблема фокусировки
Аттосекундные импульсы — длящиеся всего миллиардную долю миллиардной доли секунды — являются важнейшими инструментами для наблюдения и манипулирования движением электронов. Однако фокусировка этих импульсов, которые находятся в диапазоне экстремального ультрафиолета (XUV) и рентгеновского диапазона электромагнитного спектра, исторически была серьезным препятствием. Существующие традиционные методы оказываются недостаточными.
- Зеркала: Хотя они широко используются, они характеризуются низкой отражающей способностью и быстро деградируют.
- Традиционные линзы: Они эффективны для видимого света, но непригодны для аттосекундных импульсов, поскольку поглощают XUV-свет и расширяют длительность импульса.
Инновационное решение с плазменной линзой
Команда исследователей преодолела эту проблему, разработав новую плазменную линзу. Процесс включает в себя воздействие мощных электрических импульсов на водородный газ, заключенный в крошечный сосуд. Это быстро лишает атомы водорода электронов, создавая плазму — состояние вещества, в котором электроны отделены от атомов. Электроны естественно расходятся наружу, образуя плазменную структуру, напоминающую вогнутую линзу.
Важно отметить, что в отличие от обычных материалов, плазма преломляет свет таким образом, что позволяет фокусировать, а не рассеивать аттосекундные импульсы.
Ключевые преимущества и результаты
Новая плазменная линза обладает рядом ключевых преимуществ:
- Фокусировка широкого спектра: Линза может эффективно фокусировать аттосекундные импульсы в широком диапазоне XUV-длин волн.
- Регулируемое фокусное расстояние: Фокусное расстояние линзы можно регулировать, контролируя плотность плазмы.
- Высокий коэффициент пропускания: Исследователи достигли коэффициента пропускания, превышающего 80 %, что означает, что значительная часть аттосекундных импульсов проходит через линзу.
- Замена инфракрасного фильтра: Плазменная линза эффективно фильтрует инфракрасные управляющие импульсы, которые обычно требуют отдельных металлических фильтров. Устранение необходимости в этих фильтрах приводит к более мощному и интенсивному аттосекундному источнику света.
Сохранение длительности ультрабыстрого импульса
Чтобы полностью охарактеризовать производительность плазменной линзы, исследователи провели подробное компьютерное моделирование. Эти симуляции показали, что аттосекундные импульсы испытывали лишь незначительное увеличение длительности — с 90 до 96 аттосекунд — после фокусировки. Более того, в реалистичных условиях, когда компоненты импульса распространяются с небольшим запаздыванием, плазменная линза фактически сжимала импульсы, уменьшая их длительность с 189 до 165 аттосекунд.
Этот прорыв значительно расширяет возможности аттосекундных экспериментов, которые часто ограничены доступной интенсивностью света.
Разработка этой плазменной линзы представляет собой значительный шаг вперед в области ультрабыстрой оптики, предлагая ученым мощный новый инструмент для зондирования фундаментальной динамики электронов и открывая путь к инновационным приложениям в таких областях, как материаловедение и квантовые технологии.
