Fizycy z Politechniki Wiedeńskiej (TU Wien) i Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego uzyskali promieniowanie rentgenowskie o energii wyższej, niż pozwala na to klasyczna teoria generowania takich impulsów laserem. Kluczem okazało się skoordynowane działanie dwóch elektronów w atomie helu. Wyniki opisano w czasopiśmie „Nature Photonics”.

Jak laser wytwarza krótkie impulsy rentgenowskie

Mechanizm znany jest od dawna. Laser wyrywa z atomu jeden elektron, pole elektryczne światła rozpędza go, a następnie elektron zawraca i zderza się z macierzystym atomem. Energia, którą wtedy oddaje, wypromieniowana jest w postaci światła o częstotliwości znacznie wyższej niż częstotliwość samego lasera. Na tej metodzie, zwanej generacją wysokich harmonicznych, opiera się fizyka attosekundowa. Prace nad nią prowadził w latach 90. w tym samym wiedeńskim instytucie Ferenc Krausz, a rozwój tej dziedziny został uhonorowany Nagrodą Nobla z fizyki w 2023 roku.

Teoria przewiduje jednak górną granicę energii emitowanego promieniowania, zależną od parametrów lasera. Powyżej tego progu, nazywanego energetycznym cutoffem, sygnał gwałtownie słabnie. Jak wyjaśnia Dimitar Popmintchev z zespołu TU Wien:

• „Nie da się po prostu przekroczyć pewnej maksymalnej częstotliwości.”

Tyle że to założenie dotyczy procesu z udziałem jednego elektronu.

Eksperyment z helem

Badacze sprawdzili, co się stanie, gdy w grę wejdą dwa elektrony. Użyli intensywnych impulsów ultrafioletowych skierowanych na atomy helu. Oba elektrony helu były uwalniane jeden po drugim, a mimo różnych momentów oderwania ich ruch pozostawał powiązany korelacjami kwantowymi, więc nie można go traktować jako całkowicie niezależnego.

Odpowiednio dobierając parametry impulsów UV, zespół doprowadził do powrotu obu elektronów do atomu w tej samej chwili. Energia obu jest wtedy oddawana jednocześnie, co pozwala wytworzyć pojedynczy foton rentgenowski o energii większej niż dotąd uznawany próg.

W widmie promieniowania pojawił się dodatkowy, słabszy obszar emisji, tzw. plateau, sięgający daleko poza dotychczasowy zakres. Zaobserwowano go tylko dla helu. W analogicznych doświadczeniach z argonem i neonem zewnętrzne elektrony nie wykazały takiego zachowania, co wspiera proponowane wyjaśnienie: hel cechuje się szczególnie silnymi korelacjami między swoimi dwoma elektronami.

Do czego się to przyda

Autorzy widzą w nowym zjawisku czuły „czujnik” korelacji elektronowych. Analiza kształtu widma, jego maksymalnej energii i zależności od polaryzacji światła lasera może dostarczać informacji o tym, jak oddziałujące elektrony zachowują się w skali attosekund, czyli miliardowych części miliardowej części sekundy. W przyszłości tę samą zasadę próbuje się rozszerzyć na cząsteczki i materiały stałe, w których elektrony silnie na siebie wpływają. Mogłoby to pomóc w badaniach nad komputerami kwantowymi oraz w projektowaniu nanomateriałów o precyzyjnie dobranych właściwościach.

Co to znaczy dla czytelnika w Polsce

To badania podstawowe, więc nie należy oczekiwać szybkich zastosowań w urządzeniach codziennego użytku. Ich znaczenie polega raczej na tym, że poprawiają rozumienie zjawisk kwantowych, na których w dłuższej perspektywie opiera się rozwój nowych materiałów i technologii kwantowych. Wyniki mają charakter międzynarodowy i nie dotyczą bezpośrednio żadnych przepisów ani produktów dostępnych w Polsce czy UE.

Warto jednak pamiętać, że lasery ultrakrótkich impulsów i spektroskopia attosekundowa rozwijane są również w europejskich ośrodkach badawczych, a odkrycia z Wiednia, czyli z kraju UE, wpisują się w ten wspólny dorobek naukowy, z którego korzystają także polskie zespoły.

Źródło: ScienceDaily – „Scientists just broke a textbook rule of physics”