Сотрудники НИИЯФ МГУ в составе международного коллектива учёных предложили и реализовали способ генерации аттосекундных импульсов лазером на свободных электронах и их диагностики. Статья опубликована в журнале Nature. Результаты работы могут быть использованы на строящихся рентгеновских лазерах на свободных электронах с временной когерентностью и открывают новые возможности для исследований в области структурной биологии, драг-дизайна и медицины.
Для изучения динамики процесса во времени требуется инструмент, способный реагировать примерно на порядок скорее, чем собственно происходит процесс. Чем меньше длительность электромагнитных импульсов, тем более быстрые процессы можно с их помощью изучать и управлять ими. Аттосекундный масштаб характерен для движения электронов в атомах. Так за одну аттосекунду свет проходит расстояние, соответствующее типичному размеру атома. Беспрецедентно интенсивные импульсы в широком диапазоне электромагнитных волн генерируются рентгеновскими лазерами на свободных электронах, но их длительность до сих пор превышала 10 фемтосекунд (в одной фемтосекунде — 1000 аттосекунд). «Генерация более коротких импульсов с заданными свойствами лазерами на свободных электронах – актуальнейшая задача. Она тесно связана с задачей диагностики формы и длительности таких импульсов», — рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ, доктор физико-математических наук Алексей Грум-Гржимайло.
В работе с участием теоретиков НИИЯФ МГУ предложен и реализован способ генерации аттосекундных импульсов лазером на свободных электронах и их диагностики. Сотрудники НИИЯФ МГУ Алексей Грум-Гржимайло и Елена Грызловавнесли определяющий вклад в теоретическое обоснование метода, экспериментально реализованного международным коллективом из нескольких стран на пока единственном в мире рентгеновском лазере на свободных электронах FERMI (Триест, Италия), обладающем временной когерентностью.
Принцип генерации аттосекундных импульсов можно пояснить на примере звуковых сигналов. Если наложить друг на друга звуки от двух гитарных струн, то можно услышать биения громкости. Можно так подобрать колебания нескольких струн и относительные фазы этих колебаний, что биения будут иметь вид коротких всплесков громкости с длительным периодом почти тишины между ними.
Но для реализации такого сценария нужно настроить струны так, чтобы частоты их колебаний относились друг к другу, как целые числа. Роль струн в лазере на свободных электронах играют ондуляторы, в которых электронные импульсы из линейного ускорителя, проходящие через магнитное поле, производят фемтосекундные импульсы излучения. Несколько ондуляторов генерируют соседние гармоники основной частоты, например, 9-ю, 10-ю и 11-ю гармоники. Фазы гармоник регулируются задержками электронных импульсов во времени. Диагностика и настройка формы получающейся цепочки электромагнитных импульсов длительностью в несколько сотен аттосекунд — еще более тонкая проблема. Тут ключевым выступает тот факт, что сама основная частота является третьей гармоникой оптического лазера, часть света которого подается в выходной пучок. Вся совокупность когерентных полей: гармоники от ондуляторов и лазерный свет направляется на мишень; в конкретном случае — это газ из атомов неона. Вылетающие из атома под действием излучения электроны группируются по энергии в изолированные пики. В относительных интенсивностях этих пиков и закодирована информация о характеристиках генерируемых аттосекундных импульсов.
Результаты работы впервые открывают доступ к программируемым аттосекундным сигналам высокой интенсивности и новые пути для изучения сверхбыстрых нелинейных электронных процессов и управления ими. Например, в твердых образцах аттосекундные волны, переводя электроны из внутренней зоны в зону проводимости, дадут возможность исследовать эффекты диффузии и релаксации с аттосекундным разрешением и с формированными во времени электронными волновыми пакетами.
«Метод может быть внедрен и развит на других строящихся рентгеновских лазерах на свободных электронах с временной когерентностью (говоря "гитарным" языком, если аккорд на их струнах долго звучит без искажений)», — рассказал Алексей Грум-Гржимайло.
В этом эксперименте полностью используются уникальные характеристиками лазера на свободных электронах FERMI. Результаты указывают не только на то, что ЛСЭ могут генерировать аттосекундные импульсы, но благодаря подходу, реализованному для генерации формы волны, такие импульсы полностью управляемы и достигают высоких пиковых интенсивностей. Эти два аспекта представляют ключевые преимущества подхода. Результаты также повлияют на планирование и разработку новых лазеров на свободных электронах по всему миру.
Результаты стали возможными только благодаря тесному сотрудничеству между группой университета Фрайбурга, командой Elettra, российской командой теоретиков и международной командой теоретиков и экспериментаторов из США, Германии, Италии, Австрии, Словении, Венгрии, Японии и Швеции. Работа была поддержана совместным грантом РФФИ-DFG 20-52-12023 и фондом «Базис» через программу «Junior Leader».