Впервые в мире физики смогли контролировать движения электронов с точностью до миллиардной доли миллиардной доли секунды

Международная группа ученых при участии физиков из МГУ имени М.В.Ломоносова впервые в мире смогла доказать, что возможно контролировать квантовые процессы с точностью до нескольких аттосекунд — одной миллиардной доли миллиардной доли секунды. Подробности эксперимента описаны учеными в статье, опубликованной в последнем номере журнала Nature Photonics.

Группа исследователей при участии российских физиков сумела провести эксперимент, в котором впервые в мире удалось контролировать сверхбыстрые движения электронов с точностью до трех аттосекунд (одна аттосекунда относится к одной секунде также, как одна секунда к времени жизни Вселенной), что открывает возможность для проведения ранее невозможных квантовых исследований. Эксперимент проводился на лазере на свободных электронах FERMI, установленном в международном исследовательском центре "Elettra Sincrotrone" в итальянском городе Триесте.

Химические, физические и биологические процессы протекают чрезвычайно быстро, связи между атомами рвутся и образуются за времена, исчисляемые фемтосекундами (миллионная доля миллиардной доли секунды). Египетско-американский химик Ахмед Зевейл первым сумел наблюдать динамику химических процессов, за что в 1999 году был удостоен Нобелевской премии по химии.

Однако природа может работать еще быстрее. Если время движения атомов в молекуле характеризуется фемтосекундами, то электронная динамика, которая и определяет химические связи, протекает в тысячу раз быстрее — за промежутки времени, исчисляемые десятками и сотнями аттосекунд.

Для исследования таких процессов нужны лазеры, причем подходят только так называемые рентгеновские лазеры на свободных электронах. В «обычных»газовых, жидкостных или твердотельных лазерах источниками фотонов служат возбуждения электронов, находящихся в связанном атомном или молекулярном состоянии. В отличие от них, лазеры на свободных электронах работают от электронного пучка очень высокого качества, движущегося по синусоиде под действием отклоняющих магнитных полей. Теряя при этом энергию, электроны испускают ее в виде излучения.

Рентгеновские лазеры на свободных электронах генерируют излучение с уникальной комбинацией свойств: длиной волны в ультрафиолетовом или мягком рентгеновском диапазонах, беспрецедентной яркостью, ультракороткими фемтосекундными импульсами, перестраиваемостью частоты и поляризации, когерентностью. Характеристики лазера не позволяли проводить наблюдения за аттосекундными изменениями, однако выход из положения все же был найден. В своем эксперименте физики облучали атом неона импульсами излучения лазера на свободных электронах не одной частоты, а сразу двух— гармониками с длинами волн в 63,0 и 31,5 нанометров (в данном случае гармоники — это составляющие лазерного излучения с кратными друг другу длинами волн), а затем наблюдали за направлением вылета  фотоэлектронов из атома.

Меняя временную задержку между гармониками, ученые следили за динамикой этого процесса — а именно, измеряли изменения формы угловых распределений фотоэлектронов. В результате им удалось преодолеть поставленные природой препятствия и осуществить наблюдение за квантовой интерференцией между двумя каналами фотоионизации атомов с временным разрешением в три аттосекунды (упрощенно, по косвенным признакам удалось отследить, чтобы именно с таким интервалом по времени из атома вылетали электроны).

«В этой работе нам впервые удалось реализовать схему, которая позволяет определять относительные фазы двух гармоник лазера на свободных электронах, — комментирует один из авторов работы Елена Грызлова, старший научный сотрудник отдела электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИ ядерной физики имени Д.В.Скобельцына МГУ имени М.В.Ломоносова. — Для подавления или, наоборот, выделения дополнительных частот создано множество методов, но все они неприменимы в высокочастотных диапазонах вакуумного ультрафиолета и рентгена, так как здесь нет обычных для лазеров зеркал или поляризаторов. Однако главный вывод, следующий из этого эксперимента, наверное, заключается в том, что это вообще в принципе возможно — контролировать квантовые процессы с точностью до нескольких аттосекунд».

Вклад российских ученых в успех этой работы значителен: «В частности, нашему коллеге, Алексею Грум-Гржимайло (старшему) принадлежит сама идея использовать для определения роли второй гармоники интерференцию резонансного и нерезонансного путей ионизации и ее проявление в вероятностях вылета электронов, — рассказывает Елена Грызлова. — Позже, совместно с профессором Светланой Страховой, нам удалось рассчитать величину эффекта, понять, будет ли он наблюдаем в принципе, и получить выражения для извлечения нужных характеристик из экспериментально измеренных параметров».

«Двухцветные» лазерные измерения, по словам авторов статьи, открывают целое поле для исследований физики ультрабыстрых процессов.

Как утверждает Елена Грызлова, уже сейчас учеными подана заявка для проведения на FERMI аналогичного эксперимента с более сложными, чем атом неона, системами — с молекулами. Они предполагают изучать сложные явления, имеющие отношение к каталитическим процессам и атмосферной химии.

«Мы ожидаем, — говорит Елена, — что это направление будет развиваться и дальше, поскольку проблема осуществления квантового управления и контроля — один из краеугольных вопросов фундаментальной физики».

На фото Исследовательский центр Elettra Sincrotrone, Триест, Италия. Источник: FELs of Europe