Учёные, работающие на лазере на свободных электронах European XFEL, получили сверхкороткие вспышки рентгеновского излучения рекордной для такого типа импульсов интенсивности, сообщает SciTechDaily. Чтобы разобраться в химических реакциях и в перспективе научиться управлять участвующими в них электронами, исследователям нужна детальная картина поведения электронов внутри атомов и молекул. Рентгеновские лучи позволяют изучать это поведение, однако сами вспышки способны менять образец, который они призваны исследовать, поэтому света должно хватать для сбора полезных данных до того, как эти изменения станут заметными.
В ходе эксперимента команда сфокусировала рентгеновские вспышки на площади примерно в 100 тысяч раз меньше сечения человеческого волоса. Длительность импульсов оценили в 300 аттосекунд, при этом одна аттосекунда равна одной миллиардной от миллиардной доли секунды. Работа велась с жёстким рентгеновским излучением, то есть светом с особо короткой длиной волны, в апреле 2026 года на инструменте MID, а её результаты опубликованы в журнале Optica.
«Несколько лет назад мы продемонстрировали жёсткие рентгеновские аттосекундные импульсы тераваттного уровня на European XFEL, — приводит издание слова научного сотрудника DESY Цзявэя Яня, одного из авторов-корреспондентов исследования. — Но генерация мощных импульсов — лишь первый шаг. Для экспериментов по-настоящему важно то, что мы можем доставить на образец. С этим достижением мы теперь можем использовать аттосекундные рентгеновские лучи для изучения сильно нелинейных взаимодействий между рентгеновским излучением и веществом».
Для концентрации энергии специалисты задействовали усовершенствованную оптическую систему Киркпатрика — Баэза (AKB), привезённую из Японии. Каждая вспышка испытывала в общей сложности четыре отражения: одно из двух особо точных зеркал системы фокусировало свет по вертикали, другое — по горизонтали. Вместе они собирали рентгеновские лучи в пятно размером всего 180 × 330 нанометров, где нанометр — это одна миллиардная метра. Исходя из энергии импульса, оценённой длительности и размера фокального пятна, команда рассчитала пиковую интенсивность выше 10²⁰ ватт на квадратный сантиметр. «Это мировой рекорд по интенсивности и флюенсу для жёсткого рентгеновского аттосекундного импульса», — отмечает первый автор публикации Итиро Иноуэ из Токийского университета; флюенс отражает энергию, доставленную на единицу площади, а интенсивность учитывает ещё и то, насколько быстро эта энергия приходит.
Чтобы проверить расчёт, исследователи направили импульсы на медную фольгу. Рентгеновские лучи выбивали электроны из глубоких внутренних оболочек атомов меди, оставляя пустоты, которые могли заполнять другие электроны. При переходе электронов в эти пустоты испускался рентгеновский свет, и при достаточно высокой интенсивности он способен побуждать другие возбуждённые атомы меди излучать дополнительные рентгеновские лучи в том же направлении, усиливая сигнал за счёт процесса, называемого усиленным спонтанным излучением (ASE). «Почти волшебно видеть, как это происходит, — говорит руководитель группы на инструменте MID Андерс Мадсен. — Обычная флуоресценция идёт во всех направлениях независимо от направления падающего пучка. Но когда порог ASE преодолён, видно, как световой конус начинает стягиваться в направлении вперёд».
Сигнал ASE сначала быстро рос вместе с энергией импульса, а затем выходил на плато при более высоких энергиях. Такое насыщение, ожидаемое лишь при чрезвычайно высокой интенсивности рентгеновского излучения, стало независимым подтверждением расчётов команды. Собственную систему AKB European XFEL рассчитывает получить в начале 2027 года: после установки и ввода в эксплуатацию она должна дать исследователям со всего мира, работающим на инструменте MID, доступ к столь же коротким и интенсивным рентгеновским вспышкам. Новую систему финансируют в рамках сотрудничества с Гамбургским университетом при поддержке Федерального министерства исследований, технологий и космоса (BMFTR).