Экспериментальная концепция и результаты.
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-023-02092-6

Процессы в природе, происходящие в молекулах или твердых телах, иногда протекают во временной шкале квадриллионных (фемтосекунд) или квинтиллионных (аттосекунд) долей секунды. Ядерные реакции идут еще быстрее. Сейчас Максим Царев, Йоханнес Турнер и Питер Баум, ученые из Констанцского университета, используют новую экспериментальную установку для получения сигналов аттосекундной длительности, что открывает новые перспективы в области сверхбыстрых явлений.

Даже световые волны не могут достичь такого временного разрешения, потому что для этого требуется слишком много времени для одного колебания. Электроны обеспечивают здесь выход, поскольку они обеспечивают значительно более высокое временное разрешение. В своей экспериментальной установке исследователи из Констанца используют пары фемтосекундных световых вспышек от лазера для генерации своих чрезвычайно коротких электронных импульсов в луче в свободном пространстве. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

Как же поступили ученые?

Подобно волнам на воде, световые волны также могут накладываться друг на друга, создавая гребни и впадины стоячих или бегущих волн. Физики выбрали такие углы падения и частоты, чтобы попутно распространяющиеся электроны, летящие в вакууме со скоростью, равной половине скорости света, пересекались с гребнями и впадинами оптических волн с точно такой же скоростью.

Затем то, что известно как пондеромоторная сила, толкает электроны в направлении следующей впадины волны. Таким образом, после короткого взаимодействия генерируется чрезвычайно короткая по времени серия электронных импульсов, особенно в середине последовательности импульсов, где электрические поля очень сильны.

В течение короткого времени временная продолжительность электронных импульсов составляет всего около пяти аттосекунд. Чтобы понять этот процесс, исследователи измеряют распределение скоростей электронов, которое остается после сжатия.

«Вместо очень равномерной скорости выходных импульсов вы видите очень широкое распределение, возникающее в результате сильного замедления или ускорения некоторых электронов в процессе сжатия», — объясняет физик Йоханнес Тернер. «Но не только это: распределение не является гладким. Вместо этого оно состоит из тысяч шагов скорости, поскольку только целое число пар легких частиц может взаимодействовать с электронами одновременно».

Значение для исследования

Квантово-механически, говорит ученый, это временное наложение (интерференция) электронов друг на друга, испытав в разное время одинаковое ускорение. Этот эффект актуален для квантово-механических экспериментов, например, при взаимодействии электронов и света.

Что еще примечательно: плоские электромагнитные волны, подобные световому лучу, обычно не могут вызывать перманентного изменения скорости электронов в вакууме, потому что полная энергия и суммарный импульс массивного электрона и световой частицы (фотона) с нулевой массой покоя не могут сохраняться. Однако наличие двух фотонов одновременно в волне, движущейся медленнее скорости света, решает эту проблему (эффект Капицы-Дирака).

Для Питера Баума, профессора физики и главы группы Света и Материи в Констанцском университете, эти результаты все еще явно являются базовыми исследованиями, но он подчеркивает большой потенциал для будущих исследований: «Если на материал воздействуют два наших коротких импульса с переменным интервалом времени первый импульс может вызвать изменение, а второй импульс может использоваться для наблюдения — подобно вспышке фотокамеры».

По его мнению, большим преимуществом является то, что в экспериментальном принципе не задействован никакой материал и все происходит в свободном пространстве. Лазеры любой мощности в принципе могут быть использованы в будущем для еще более сильного сжатия. «Наше новое двухфотонное сжатие позволяет нам перемещаться в новые измерения времени и, возможно, даже снимать ядерные реакции », — говорит Баум.