Вчені досягли значного прогресу в маніпулюванні надзвичайно короткими спалахами світла, відомими як аттосекундні імпульси. Дослідники з Інституту Макса Борна (MBI) і DESY продемонстрували плазмову лінзу, здатну фокусувати ці імпульси, прорив, який обіцяє значно збільшити потужність, доступну для вивчення неймовірно швидкого руху електронів. Результати, опубліковані в Nature Photonics, відкривають захоплюючі нові можливості для розуміння та контролю поведінки електронів в атомах, молекулах і твердих матеріалах.
Розуміння аттосекундних імпульсів і проблеми фокусування
Атосекундні імпульси — тривалістю лише мільярдну частку мільярдної секунди — є критично важливими інструментами для спостереження та керування рухом електронів. Однак фокусування цих імпульсів, які знаходяться в ультрафіолетовій (XUV) і рентгенівській областях електромагнітного спектру, історично було серйозною перешкодою. Існуючих традиційних методів виявляється недостатньо.
- Дзеркала: Хоча широко використовуються, вони мають низький рівень відбиття та швидко псуються.
- Звичайні лінзи: вони ефективні для видимого світла, але не підходять для аттосекундних імпульсів, оскільки вони поглинають світло XUV і збільшують тривалість імпульсу.
Інноваційне рішення з плазмовою лінзою
Дослідницька група подолала цю проблему, розробивши нову плазмову лінзу. Процес передбачає застосування потужних електричних імпульсів до водню, що міститься в крихітній посудині. Це швидко позбавляє атоми водню електронів, створюючи плазму, стан речовини, в якому електрони відокремлюються від атомів. Електрони природним чином поширюються назовні, утворюючи плазмову структуру, яка нагадує увігнуту лінзу.
Важливо зазначити, що, на відміну від звичайних матеріалів, плазма заломлює світло таким чином, що дозволяє фокусувати аттосекундні імпульси, а не розсіювати.
Основні переваги та результати
Нова плазмова лінза має низку ключових переваг:
- Фокусування широкого спектру: Об’єктив може ефективно фокусувати аттосекундні імпульси в широкому діапазоні довжин хвиль XUV.
- Регульована фокусна відстань: Фокусну відстань об’єктива можна регулювати, контролюючи щільність плазми.
- Високий коефіцієнт пропускання: Дослідники досягли коефіцієнта пропускання понад 80%, що означає, що значна частина аттосекундних імпульсів проходила через лінзу.
- Заміна інфрачервоного фільтра: плазмова лінза ефективно фільтрує інфрачервоні імпульси керування, які зазвичай потребують окремих металевих фільтрів. Усунення потреби в цих фільтрах призводить до більш потужного та інтенсивного аттосекундного джерела світла.
Збереження надшвидкої тривалості імпульсу
Щоб повністю охарактеризувати характеристики плазмової лінзи, дослідники провели детальне комп’ютерне моделювання. Ці симуляції показали, що аттосекундні імпульси лише незначно збільшили тривалість — з 90 до 96 аттосекунд — після фокусування. Крім того, за реалістичних умов, коли компоненти імпульсу поширюються з невеликою затримкою, плазмова лінза фактично стиснула імпульси, зменшивши їх тривалість зі 189 до 165 аттосекунд.
Цей прорив значно розширює можливості аттосекундних експериментів, які часто обмежені доступною інтенсивністю світла.
Розробка цієї плазмової лінзи є значним прогресом у галузі надшвидкої оптики, пропонуючи вченим новий потужний інструмент для дослідження фундаментальної динаміки електронів і прокладаючи шлях для інноваційних застосувань у таких галузях, як матеріалознавство та квантова технологія.
