Группа исследователей из Венского технического университета (TU Wien) и Калифорнийского университета в Сан-Диего смогла получить рентгеновское излучение с энергией, которая заметно выше значений, предсказываемых классической теорией. Для этого учёные направляли мощные ультрафиолетовые лазерные импульсы на атомы гелия. Обнаруженный эффект объясняется необычным квантовым взаимодействием двух электронов, которые высвобождают энергию одновременно, сообщает ScienceDaily.
Работа опирается на исследования, заложившие основы аттосекундной физики. Лазерные методики, созданные в TU Wien в 1990-х годах, впоследствии были отмечены Нобелевской премией по физике 2023 года. Согласно давно принятой модели, при облучении атомов лазером возникает очень короткий импульс света с гораздо более высокой частотой, включая рентгеновское излучение, но существует предельная энергия такого излучения, выше которой оно становится крайне слабым.
В ходе нового эксперимента выяснилось, что этот предел можно преодолеть, если в процессе участвуют два электрона. «Механизм генерации коротких рентгеновских импульсов давно известен, — приводит издание слова профессора Те́нио Попминчева из Института фотоники TU Wien. — Лазер отрывает от атома один электрон. Затем электрон ускоряется в электрическом поле лазера и в итоге снова сталкивается с атомом. Энергия, которую он теряет при этом, испускается в виде света». Обычно освобождённый электрон удаляется от своего атома под действием поля, а затем возвращается к нему и излучает свет с частотой, намного превышающей частоту исходного луча.
Как отметил Димитар Попминчев, сотрудник команды Те́нио Попминчева, электрон при возвращении к атому испускает целый набор частот примерно одинаковой интенсивности, однако частота выше определённого максимума оказывается значительно слабее. Чтобы проверить, изменится ли результат при участии двух электронов, исследователи облучали атомы гелия интенсивными ультрафиолетовыми импульсами и поочерёдно отрывали оба электрона. Несмотря на то что они освобождались в разные моменты, их движение оставалось связанным благодаря квантовым корреляциям.
Подбирая параметры ультрафиолетовых импульсов, учёные добивались, чтобы оба электрона возвращались к атому одновременно. «Используя ультрафиолетовые импульсы, мы можем добиться, чтобы оба электрона вернулись к атому точно в одно и то же время, — пояснил Димитар Попминчев. — Тогда энергия двух электронов высвобождается сразу. А когда доступно больше энергии, может образоваться и один рентгеновский фотон с более высокой энергией и частотой». В спектре излучения появилась дополнительная область устойчивой эмиссии при энергиях фотонов, которые намного превышают предсказания стандартной теории. Этот сигнал возникал только при использовании гелия, тогда как опыты с аргоном и неоном такого эффекта не дали.
Помимо получения более энергичного рентгеновского излучения, открытие может стать чувствительным инструментом для изучения взаимодействия электронов внутри атомов и материалов. По форме спектра, его максимальной энергии и её зависимости от поляризации лазерного света можно будет судить о поведении взаимодействующих электронов на предельно коротких временных отрезках — аттосекундах, каждая из которых равна одной миллиардной от одной миллиардной доли секунды. В перспективе тот же принцип можно будет применить к молекулам и твёрдым телам с сильным взаимодействием электронов, что может пригодиться в исследованиях квантовых вычислений и при разработке перспективных наноматериалов.