Физиками МГУ проведен полный эксперимент по фотоионизации положительно заряженного иона

Учёные НИИЯФ МГУ совместно с зарубежными коллегами провели уникальный эксперимент по фотоионизации положительно заряженного иона. Эта работа важна для изучения нелинейных процессов, генерируемых новыми источниками сверхкоротких ультрафиолетовых и рентгеновских импульсов. Результаты опубликованы в престижном журнале Nature Physics 12 ноября. 

Международная команда ученых из Италии, Германии, России и Японии впервые провела полный эксперимент по фотоионизации положительно заряженного иона. Фотоионизация характеризует взаимодействие излучения с веществом в крайней ультрафиолетовой и рентгеновской области спектра: квант света поглощается, и из системы вылетает электрон. По фундаментальным законам квантовой механики, волновую функцию вылетающего электрона можно разложить на несколько парциальных волн, амплитуды и относительные фазы которых необходимы для полного описания состояния вылетающего электрона. Волновая функция электронов остаточного иона подчиняется аналогичным фундаментальным законам.

Полная характеристика процесса фотоионизации требует реконструкции волновых функций, как вылетающих, так и связанных электронов, взаимодействующих с внешним излучением. В работе проведена такая реконструкция в двухфотонном процессе двойной ионизации в атомах неона. Эксперимент проводился на лазере на свободных электронах FERMI (Триест, Италия) и использовал уникальные возможности FERMI, который может генерировать перестраиваемые по частоте и поляризации интенсивные ультракороткие импульсы в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. В эксперименте измерялись угловые распределения вылетающих электронов при круговой и линейной поляризации излучения. 

«Концепция полного эксперимента была сформулирована Я.А. Смородинским с соавторами 60 лет назад при анализе рассеяния нуклона на нуклоне в форме вопроса, сколько экспериментов требуется для нахождения всех элементов матрицы рассеяния. Через 10 лет понятие полного эксперимента вошло в атомную физику и долго служило стимулом к исследованиям разнообразных элементарных атомно-молекулярных процессов. Действительно, выполнив полный эксперимент, можно по нескольким измеренным параметрам восстановить любую принципиально наблюдаемую в изучаемом процессе величину и проверить теорию в степени, максимально возможной для квантовой механики», — прокомментировал один из ведущих авторов исследования, ведущий научный сотрудник НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ Алексей Грум-Гржимайло.

«При этом теория определяет, а что, собственно, надо измерять для реализации полного эксперимента. Обычно полный эксперимент — это ряд экспериментов, проводимых в разное время в разных лабораториях и разными методами, результаты которых синтезируются в том самом наборе нескольких параметров, которые и являются целью полного эксперимента. Образно говоря, измерение одной отдельной величины — это наблюдение одной проекции, можно сказать, тени от процесса. Но тень может обмануть наблюдателя. Чтобы полностью восстановить объект, наблюдателю нужны разные проекции», — добавила один из авторов эксперимента, старший научный сотрудник НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ Елена Грызлова.

«Для реализации полного эксперимента необходимы самые современные экспериментальные методы в сочетании с глубоким теоретическим анализом. В одном из обзоров 2003 года по фотоионизации полный эксперимент был назван "Священным Граалем". В НИИЯФ МГУ реализацией полного эксперимента в ядерных реакциях в 1980-х годах активно занималась группа под руководством И.Б. Теплова и Н.С. Зеленской, а несколько позже, но уже в атомных процессах — группа под руководством В.В. Балашова. Новый импульс к развитию полного эксперимента в атомной физике был вызван созданием новых источников высокочастотного излучения, таких как лазеры на свободных электронах», — рассказал Алексей Грум-Гржимайло. 

Высокая интенсивность FERMI позволяет атому последовательно поглощать два фотона с вылетом двух электронов, что приводит к образованию двукратно заряженных ионов. Параметры угловых зависимостей пиков в спектрах вылетающих электронов использовались для получения полной информации об амплитуде и относительной фазе выходящих парциальных волн и о волновых функциях электронов, оставшихся в ионе. Подход позволил провести полную реконструкцию волновых функций связанных и несвязанных электронов. Такой эксперимент пока доступен на единственном в мире источнике излучения и поэтому является уникальным. 

Ученые МГУ инициировали само исследование, разработали теоретическое обоснование полного эксперимента и выполнили численное моделирование. В работе также принимали участие сотрудники Миланского технического университета (Италия), Университета Тохоку (Япония), Тихоокеанского государственного университета (Хабаровск), Института фотоники и нанотехнологий (Италия), Фрайбургского университета (Германия), Берлинского технического университета (Германия), лаборатории синхротронного излучения ELETTRA (Италия) и международного мегасайнс центра «Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL)» (Германия).