Быстрые рентгеновские импульсы позволяют в 100 раз повысить эффективность фотоионизации
Скорость имеет значение. Когда рентгеновский фотон возбуждает атом или ион, заставляя электрон ядра перейти на более высокий энергетический уровень, открывается кратковременное окно возможностей. Прежде чем электрон заполнит пустоту на более низком энергетическом уровне, всего за несколько фемтосекунд, второй фотон может быть поглощен другим электроном ядра, создавая двойное возбуждённое состояние. Используя 5000 интенсивных рентгеновских вспышек в секунду, генерируемых XFEL (европейский рентгеновский лазер на свободных электронах), международная группа ученых исследовала такие состояния с двумя дырками в сильно ионизированном криптоне, используя фотоны, которые имели почти одинаковую энергию или цвет.
Рис. Сверхбыстрая двойная резонансная ионизация высокозаряженного криптона: последовательное поглощение двух рентгеновских фотонов создаёт двойное возбуждённое состояние, которое затем распадается посредством автоионизации. Источник: Институт ядерной физики Общества Макса Планка.
Для своих экспериментов ученые из Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге, а также из шести других институтов в Германии, Италии, Португалии и США использовали высокозаряженный криптон, Kr²⁶+, в котором отсутствуют все электроны, за исключением десяти. Это позволило получить чёткую картину процесса, исключив нежелательный вклад других электронов. Использование этих ионов криптона оказалось выгодным, поскольку для обоих этапов резонансного возбуждения двух остовных электронов необходимая энергия фотона была очень схожей. Таким образом, можно было использовать одноцветный рентгеновский пучок с шириной полосы всего 0,5% (обусловлено релятивистскими эффектами, которые приводят к смещению энергетических уровней остовных электронов, что обеспечивает идеальный двойной резонанс).
Через несколько фемтосекунд двойное возбуждённое состояние распадается в результате испускания электронов, генерируя состояние с более высоким зарядом. По сравнению с простой фотоионизацией, двойной резонансный путь приводит к более чем 100-кратному увеличению поглощения фотонов, что значительно повышает эффективность.
Этот эффект не только углубляет понимание того, как свет и вещество взаимодействуют в экстремальных условиях, но и открывает новые возможности для высокоточных рентгеновских измерений.
