Первые шаги аттофизики

Первые шаги аттофизики 

Е.Онищенко 

На исходе прошлого тысячелетия (в 1999 году) Нобелевской премией было отмечено исследование сверхбыстрых химических реакций. Одним из заметных успехов физики в начале нового тысячелетия явился прорыв в генерации ультракоротких импульсов электромагнитного излучения (длительностью менее одной фемтосекунды!), что дало рождение новой области "аттофизике". 

Прежде чем говорить об аттофизике, разберемся, откуда происходит это название. Приставки нано-, пико-, фемто- и атто- перед названием единицы измерения физической величины означают единицу измерения, составляющую, соответственно, 10-9, 10-12, 10-15 и 10-18 от исходной; в частности, 1 аттосекунда (ас) = 10-18 с. Аттофизикой называют область физики, связанную с исследованием быстропротекающих физических процессов с аттосекундными временным разрешением (в диапазоне от 10-18 с до 10-15 с). 



Рис.1. Характерные временные масштабы различных физических процессов (показаны только процессы длительностью менее 1 нс, так что верхняя временная граница в некоторых случаях чисто условна). По оси ординат показан энергетический диапазон фотонов, требуемых для исследования тех или иных процессов (из работы [1]).  

Устремляясь вперед, иногда полезно бросить взгляд назад, на пройденный путь. Создание лазеров дало мощнейший толчок развитию новых и совершенствованию старых оптических методов исследования вещества. Стало возможным с помощью импульсов малой длительности изучать динамику быстрых процессов, протекающих в атомах, молекулах и твердых телах. Если в 60-х годах прошлого века в распоряжении ученых оказались импульсы наносекундной длительности, что позволяло исследовать процессы с характерной длительностью в десятки и сотни наносекунд, то в последующие десятилетия были развиты способы генерировать пикосекундные и фемтосекундные импульсы, что открыло перед наукой казавшиеся ранее невероятными возможности. На рис. 1 схематически показаны характерные временные масштабы некоторых атомных, молекулярных и твердотельных физических процессов. Из рисунка можно видеть, что пико- и фемтосекундное разрешение позволяет изучать колебательное и вращательное внутримолекулярное движение, динамику носителей в полупроводниках (и полупроводниковых наноструктурах), фазовые переходы в твердых телах, формирование и разрыв химических связей и т.д. 

В 90-е годы фемтосекундные лазеры из экзотики превратились в нормальный (хотя и не слишком дешевый) инструмент научных исследований, что легко заметить даже по нашим новостям . Увидеть "работу" фемтосекундных лазеров можно в сообщениях о наблюдении поверхностных химических реакций с фемтосекундным разрешением и наблюдении электронно-дырочной жидкости в алмазе, об оптической микроскопии с разрешением порядка 30 нм (!) и новом оптическом методе исследования магнитных структур ... Мало того, что фемтосекундные лазеры "не удовольствовались" ролью удобного и полезного инструмента: возможность получения мощных фемтосекундных импульсов привела к появлению новой, бурно развивающейся, области - настольной физики высоких энергий . 

К концу 90-х годов была отработана техника генерации предельно коротких (длительностью в 2-3 периода оптического поля, т.е. порядка 5 фс) фемтосекундных импульсов (об этом можно прочесть в обзоре, посвященном генерации ультракоротких фемтосекундных импульсов [1]). Продвижение в сторону еще более коротких импульсов в силу фундаментальных ограничений уже не позволяло оставаться в ближнем инфракрасном или оптическом диапазоне волн. У физиков оставался единственный выход: переход к более коротковолновому излучению, в область дальнего ультрафиолета - мягкого рентгена. 

Плодотворная дебютная идея состояла в конвертации части энергии коротких фемтосекундных импульсов оптического диапазона в более коротковолновое излучение (генерация высоких гармоник - излучения с частотой, кратной частоте начального импульса) с использованием сверхбыстрых нелинейных оптических эффектов. Такой эффект предполагалось получить в процессе взаимодействия мощных (и как можно более коротких) лазерных импульсов с веществом (например, с газом). 



Рис.2. Расчеты - генерация высокочастотного излучения при действии мощных импульсов 10 фс (слева) и 5 фс (справа) на газовую мишень. Вверху интенсивность высокоэнергетичного излучения; внизу - временные зависимости для напряженности "фемтосекундного" лазерного поля и генерированного высокоэнергетичного излучения (номера гармоник указаны на рисунке) (из работы [2]).  

Если оптический импульс достаточно мощен и хорошо сфокусирован (плотность мощности порядка 1015 Вт/см2 и выше), то напряженность электрического поля, действующего на атомы, становится сопоставима с внутриатомным электрическим полем (порядка 109 В/см), т.е. становится достаточной, чтобы вызвать ионизацию атома за счет подавления кулоновского барьера. Освобожденный из атома электрон совершает колебательное движение в поле лазерного импульса; поскольку поле сильно, электрон может приобретать при этом большую кинетическая энергию. Ускоренный электрическим полем электрон испытывает соударения с атомами (в достаточно разреженных газах как правило с "родительскими ионами" - атомами, из которых он был выбит). При столкновениях достаточно высокоэнергетичных электронов с ионами имеет место тормозное излучение - электрон теряет энергию, излучая кванты электромагнитного поля (их энергия ограничена сверху максимально возможной энергией налетающего на ион электрона). В результате за короткое время (много меньшее оптического периода возбуждающего импульса) происходит генерация коротковолнового излучения (см. рис. 2). С помощью наборов фильтров или зеркал из широкого спектра высокочастотного излучения может быть выделена требуемая гармоника - импульс коротковолнового излучения с длительностью менее 1 фс. 

Но в науке недостаточно "просто" получить какой-то эффект - необходимо его надежно зарегистрировать, что иногда совсем не так легко (см., например, заметку о получении большого количества атомов антиводорода в ЦЕРНе ). Само по себе появление излучения в ультрафиолетовом или мягком рентгеновском диапазоне в результате воздействия мощного короткого лазерного импульса на "газовую мишень" еще не говорит о том, что произошла генерация именно аттосекундного импульса, а не импульса большей длительности. Необходима методика, позволяющая определять длительность рожденного сверхкороткого импульса, временное же разрешение существовавших до недавнего времени методик не превышало нескольких фемтосекунд. Поэтому для формального объявления о рождении аттофизики нужно было сначала разработать способы измерения длительности аттосекундных импульсов. Такие способы были разработаны (см., к примеру, нашу новость как измерить длительность сверхкороткого импульса?), и в начале нового тысячелетия человечество официпально вступило в "аттосекундную эру" [3]. 

Дав выше определение аттосекунды и аттофизики, мы формально пояснили, о чем идет речь. Но сложно избавиться от некоторой неудовлетворенности, связанной с тем, что приведенные цифры не в состоянии передать, сколь невообразимо малые временные масштабы покорились науке. Ведь восемнадцать порядков - разница непредставимая, ее невозможно "почувствовать": столь сильному различию масштабов нет места в человеческом восприятии. Единственное, что можно сделать - попытаться найти аналогию, более-менее доступную нашему сознанию. 

Зададимся вопросом, каков "человеческий квант времени", т.е. мельчайшая доступная человеческому восприятию "частица времени". Это, конечно, не секунда - величина, введенная искусственно, - а миг, мгновенье. Хотя в наш "точный" век слова миг и мгновенье воспринимаются "расплывчато-поэтически" ("остановись, мгновенье, ты прекрасно"), изначально смысл их был более конкретным. Понять его можно, вспомнив следующие фразы - "в мгновенье ока", "и глазом моргнуть не успел". 

Итак, мгновенье - процесс с длительностью в десятые доли секунды. Попытаемся приравнять мгновенье к двум величинам - микросекунде и аттосекунде, и представить, с чем можно будет сопоставить в таком случае секунду. Для микросекунды особых проблем возникнуть не должно: миллион хотя и большая, но встречающаяся в повседневной жизни величина (будь-то миллион жителей города или миллион рублей), соотвественно, и одна миллионная доля чего-то вполне представима. Неудивительно, что "аналог секунды" будет вполне человеческим: микросекунда будет относиться к секунде примерно как мгновенье относится к трем дням. Не так обстоит дело с аттосекундой: уподобив ее мгновенью, мы обнаружим, что секунда в таком масштабе уподобится ... времени жизни Вселенной! 

Но оставим в стороне лирику и пробуем разобраться, что и каким образом изучается в новорожденной области науки. Если для нас аттосекунда находится далеко за пределами представления, то, как видно из рис. 1, это вполне законный масштаб протекания процессов во внутренних электронных оболочках атомов. Естественно предположить, что аттофизика связана с исследованием динамики электронов внутренних оболочек. Поэтому, прежде чем говорить о проведенных экспериментах, стоит сказать несколько слов об изучавшихся процессах. 



Рис.3. a - схематическое изображения энергетической структуры атома и процессов энергетической релаксации электронов на внутренних электронных оболочках атома после ионизации; b - фотоэлектроны покидают атом за время t x, равное длительности импульса рентгеновского излучения, оже-электроны покидают атом за существенно большее время, t H - характерный масштаб - время жизни вакансии на внутренней электронной оболочке.

Излучение с достаточно высокой энергией может выбить электрон с внутренних электронных оболочек атома (рис. 3a, процесс a). В этом случае говорят, что на внутренней электронной оболочке образуется вакансия (показана на рис.3a фиолетовым кружком). Такое состояние неустойчиво и электронная подсистема стремиться минимизировать энергию за счет заполнения вакансии электроном с одного из вышележащих уровней энергии атома. Выделяющаяся при переходе на нижележащий уровень энергия может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения либо передана третьему электрону, который покидает атом (процессы b и c на рис.3a, электроны помечены зеленым). Первый процесс более вероятен при энергии связи электрона Wh, превышающей 1 кэВ, второй - для легких атомов и энергии связи электрона, не превышающей 1 кэВ. 

Второй процесс называется эффектом Оже, а электрон, которому был передан избыток энергии, - оже-электроном. Энергия оже-электрона не зависит от энергии возбуждающего излучения, а определяется структурой энергетических уровней атома (в обозначениях рис.3a Wkin = Wh - W1 - W2). Вследствие конечности времени жизни атома в возбужденном состоянии существует некоторый разброс энергий оже-электронов (схематически показано на рис. 3a). Регистрируя энергетический спектр оже-электронов, можно, соответственно, получать информацию о временах жизни вакансий на внутренних электронных оболочках. Конечно, подобным образом можно получить некоторую информацию о динамике электронных процессов на внутренних оболочках атомов только в простейших случаях. Непосредственные временные измерения способны дать более богатую информацию и, в принципе, обладают большей универсальностью. Но необходимым условием для временных измерений является малость длительности ионизующего импульса по сравнению с характерным временем релаксации, поэтому, повторимся, для исследования динамики электронных процессов на внутренних оболочках необходимо использовать аттосекундные импульсы. 

Аттофизика делает пока самые первые шаги, поэтому неудивительно, что для начала решили "попрактиковаться" на достаточно хорошо изученной другими методами системе. В недавно вышедшей работе ученых из Технического университета Вены (Австрия) и Билефельдского унивеситета (Германия) [4] с помощью аттосекундных импульсов было проведено исследование динамики релаксации электронов внутренних электронных оболочек атома криптона. А именно, ученые использовали аттосекундную спектроскопию для определения времени жизни вакансии на M-оболочке атома криптона. Попытаемся на примере пионерской работы понять в общих чертах принципы работы аттосекундной спектроскопии. Схема эксперимента показана на рис. 4. Атомы криптона, вылетающие из форсунки, находились в фокусе двойного зеркала, позволяющего фокурировать в одном месте излучение ближнего инфракрасного диапазона (за счет внешнего металлического слоя) и мягкого рентгеновского излучения (за счет многослойного Mo/Si рентгеновского зеркала). Ионизация атомов криптона происходила с помощью импульса рентгеновского излучения (с энергией 97 эВ) длительностью порядка 900 ас. Для наблюдения за динамикой процесса релаксации электронной системы вслед за аттосекундным приходил тестовый фемтосекундный импульс (длительность менее 7 фс, энергия фотонов порядка 1.6 эВ), а длительность промежутка между приходом аттосекундного и фемтосекундного импульсов (время задержки D t) варьировалась. 



Рис.4. a - изменение импульса электрона под влиянием электрического поля фемтосекундного импульса; b - cхема эксперимента.  

Выбитый из атома оже-электрон подвергается воздействию достаточно мощного электрического поля фемтосекундного импульса, в результате чего импульс электрона меняется со временем (см. рис. 4a). Итоговое изменение импульса (а, следовательно, и энергии) электрона D р зависит от времени воздействия светового поля на электрон, т.е. и от момента, когда электрон "вылетел" из атома, и от времени задержки D t(см. рис. 4b). Соответственно, энергетический спектр электронов, регистрируемый с помощью время-пролетных измерений (по времени пролета от места генерации до детектора) зависит от D t. Имея набор энергетических спектров, полученных при различных временах задержки, можно пытаться восстановить временную картину генерации оже-электронов (см. рис. 3b). Причем, поскольку импульс электрона меняется от среднего до максимального значения за четверть оптического периода фемтосекундного импульса, временное разрешение методики в принципе может достигать десятых долей оптического периода. 

В проведенных экспериментах с помощью подобной "двухцветовой" (с использованием излучения мягкого рентгеновского и ближнего инфракрасного диапазона) методики удалось определить время жизни вакансии на M-оболочке атома криптона t H - порядка 8 фс, что совпадает с результатами, полученными другими методами. Хотя первый шаг аттофизики был удачен, но для того, чтобы двигаться вперед, теоретикам потребуются немало трудиться: реальная картина эволюции многоэлектронной системы под влиянием мощных полей может быть достаточно сложна. 

В заключение позволим себе немного пофантазировать. Если сегодня становится реальностью исследование динамики электронов внутренних оболочек, каких очередных прорывных достижений можно ожидать если не "завтра", то хотя бы "послезавтра" - по прошествии нескольких десятилетий? Хочется верить, что за два - три десятилетия удастся "спуститься вниз" еще на несколько порядков и научиться генерировать сверхультракороткие импульсы гамма-излучения, которые позволят ученым исследовать динамику ядерных процессов... 

Список литературы

1. Thomas Brabec and Ferenc Krausz. Rev.Mod.Phys., v.72, 545 (2000). 

2. Ivan P.Christov, Margaret M.Murane, and Henry C.Kapteyn. Phys.Rev.Lett., v.78, 1251 (1997). 

3. M.Drescher, M.Hentschel, R.Kienberger et al., Science v.291 , 1923 (2001). 

4. M.Drescher, M.Hentschel, R.Kienberger et al. Nature, v.419, 803 (2002).