Аттосекундные источники света — это мощные инструменты, позволяющие изучать движение электронов на невероятно коротких временных масштабах. Но создать сверхкороткие и интенсивные рентгеновские импульсы до сих пор сложно.

Свободно-электронные лазеры (FEL) решают эту задачу, генерируя ультракороткие вспышки света. Один из методов — ESASE — усиливает пиковый ток в пучке электронов, но добиться четких одиночных импульсов трудно, а от этого зависит качество сигнала.

Наша команда предложила новый подход. Мы используем лазерные импульсы среднего инфракрасного диапазона (MIR), сжатые до субцикла (меньше одного колебания волны) в полом капилляре, заполненном газом, — заявили участники исследования.

За счет эффекта солитонного сжатия длинные импульсы укорачиваются до нескольких фемтосекунд. Если таким импульсом промодулировать электронный пучок, можно получить почти идеальный одиночный пик тока — а значит, и сверхчистый рентгеновский импульс, идеально синхронизированный с лазером.

Результаты работы опубликованы в издании Ultrafast Science.

Как это работает

• Газ в капилляре позволяет гибко управлять дисперсией и нелинейными эффектами.
• Солитонное сжатие укорачивает импульс без дополнительных компенсаторов.
  В симуляциях мы сжали 40-фемтосекундный MIR-импульс до 5,7 фс с пиковой мощностью 40 ГВт.

Далее этот субцикловый импульс взаимодействует с электронным пучком в модуляторе, создавая энергетическую модуляцию. После прохождения через чикане (специальный магнитный элемент) пучок сжимается, формируя одиночный пик тока. В радиаторе это превращается в аттосекундный рентгеновский импульс с рекордным соотношением сигнал/шум.

Такие импульсы открывают новые возможности:

• Исследование движения электронов в атомах.
• Измерение задержек фотоэмиссии и туннелирования.
• Высокоточные pump-probe эксперименты, где накачка — это тот же субцикловый MIR-импульс.

Этот метод позволяет получать чистые аттосекундные импульсы без паразитных всплесков, что критично для точных измерений. Например, можно «увидеть», как электроны перераспределяются в молекулах во время химических реакций или как работает фотоэмиссия в новых материалах. Синхронизация с MIR-лазером делает систему идеальной для экспериментов с временным разрешением.

Главный недостаток разработки — сложность контроля параметров газа в капилляре. Даже небольшие колебания давления или состава могут нарушить солитонное сжатие, а значит, потребуется точная калибровка для каждого эксперимента. Кроме того, пока метод проверен только в симуляциях — реальные установки могут столкнуться с неучтенными шумами.

Ранее ученые раскрыли квантовые секреты воды с помощью новой спектроскопии.