Ученые использовали 5000 сверхбыстрых рентгеновских вспышек в секунду для создания дважды возбужденных атомных состояний.
Исследователи из Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) добились значительного прогресса в понимании того, как свет взаимодействует с веществом на квантовом уровне, после того как им удалось повысить эффективность фотоионизации в 100 раз.
Группа использовала самый мощный в мире рентгеновский лазер для успешного создания и изучения редкого состояния двойной дырки в сильно ионизированном криптоне — состояния, при котором два внутренних электрона возбуждаются одновременно.
Электрон переходит в так называемое «возбуждённое состояние», когда поглощает энергию и переходит на более высокий, менее стабильный энергетический уровень. Его исходное «основное состояние» — это самый низкий и наиболее стабильный уровень, который электрон может занимать в атоме.
Группа ученых полагает, что полученные результаты позволят провести новые точные эксперименты, которые могут изменить понимание того, как атомы и молекулы ведут себя в экстремальных условиях.
Новый атомный прорыв
Когда рентгеновский фотон возбуждает атом или ион и заставляет электрон ядра перейти на более высокий энергетический уровень, открывается кратковременное окно, в котором второй фотон может быть поглощен другим электроном ядра, прежде чем пустота заполнится.
Этот короткий интервал длится всего несколько фемтосекунд, что составляет приблизительно одну квадриллионную секунды, и может привести к образованию редкого дважды возбужденного состояния.
Для исследования таких состояний с двумя дырками в сильно ионизированном криптоне — бесцветном газе без запаха, который в следовых количествах присутствует в атмосфере Земли, исследователи из Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) использовали 5000 интенсивных вспышек рентгеновского излучения в секунду.
Кредит: Европейский рентгеновский лазер XFEL
В рамках проекта европейская группа XFEL сотрудничала с экспертами Института ядерной физики Общества Макса Планка (MPIK). В исследовании также приняли участие шесть других организаций из Германии, Италии, Португалии и США.
Учёные работали с высокозаряженным криптоном, Kr26+, экстремальной формой этого элемента, лишённой всех электронов, за исключением 10. Благодаря упрощению модели им удалось более чётко отслеживать взаимодействия.
«Это позволило нам получить четкую картину процесса, исключив нежелательный вклад других электронов», — рассказал Томас Бауманн, руководитель операций в SQS Scientific Instrument, где проводилась работа.
Двойные скважинные данные
Использование этих ионов криптона оказалось полезным, поскольку оба этапа возбуждения двух основных электронов требовали практически одинаковой энергии фотонов. Это означало, что команда могла использовать одноцветный рентгеновский пучок с шириной полосы пропускания всего 0,5% для инициирования обоих переходов.
«Это перекрытие резонансных энергий обусловлено релятивистскими эффектами», — подчеркнул Мото Тогава, доктор философии, научный сотрудник MPIK и первый автор исследования. «Они приводят к смещению энергетических уровней остовных электронов, что обеспечивает идеальный двойной резонанс».
Двойное возбуждённое состояние распадается за счёт испускания электронов в течение нескольких фемтосекунд, создавая состояние с более высоким зарядом. По сравнению с простой фотоионизацией, этот двойной резонансный путь поглощает более чем в 100 раз больше фотонов и обеспечивает значительно более высокую общую эффективность.
Источник: Институт ядерной физики Макса Планка
«Этот эффект не только углубляет наше понимание того, как свет и вещество взаимодействуют в экстремальных условиях, но и открывает новые возможности для высокоточных рентгеновских измерений», — заявил в пресс-релизе руководитель группы MPIK Хосе Креспо Лопес-Уррутия, доктор философии.
По словам группы, полученные результаты могут послужить эффективным методом возбуждения для будущих экспериментов с временным разрешением, особенно при использовании двухцветного режима ондулятора SASE3 на европейском рентгеновском лазере XFEL.
Они также полагают, что этот подход можно распространить на эксперименты с жестким рентгеновским излучением, в которых используются рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFELO), разрабатываемые на этом объекте.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
