Скорость химических, физических и биологических процессов чрезвычайно высока, атомные связи разрываются и восстанавливаются в течение фемтосекунд (одна миллионная одной миллиардной секунды). Американский химик египетского происхождения Ахмед Зеваил был первым, кому удалось наблюдать динамику химических процессов, что сделало его лауреатом Нобелевской премии по химии 1999 года.
Тем не менее, природа может действовать еще быстрее. В то время как движение атомов внутри молекулы можно измерить с фемтосекундным разрешением, динамика электронов, определяющая природу химических связей, происходит в тысячу раз быстрее – в пределах десятков и сотен аттосекунд.
Единственными инструментами, подходящими для изучения таких процессов, являются так называемые рентгеновские лазеры на свободных электронах. В «обычных» газовых, жидкостных и твердотельных лазерах возбуждение электронов в связанном атомном состоянии служит источником фотонов.
Напротив, лазеры на свободных электронах работают с помощью высококачественного электронного луча, движущегося по синусоидальной траектории под действием луча магнитов. Во время этого процесса электроны теряют энергию, производя излучение.
Рентгеновские лазеры на свободных электронах генерируют излучение с уникальным набором свойств: длина волны в крайнем ультрафиолетовом или мягком рентгеновском диапазоне, беспрецедентная светимость, ультракороткие фемтосекундные импульсы, настраиваемая частота и поляризация, а также когерентность. Хотя свойства самого лазера не позволяли проводить наблюдения с точностью до аттосекунд, выход был найден. В своем эксперименте ученые облучали атомы неона лазерными импульсами на свободных электронах двух частот вместо одной и отслеживали направление выхода фотоэлектронов из атома. Они использовали излучение с основной частотой и ее второй гармоникой (с удвоенной частотой и, следовательно, с половиной длины волны), а именно с длинами волн 63,0 и 31,5 нм.
Изменяя временную задержку между гармониками, ученые наблюдали за динамикой процесса: измеряли изменение углового распределения фотоэлектронов. В результате им удалось преодолеть естественные препятствия и с точностью до трех аттосекунд наблюдали квантовую интерференцию между двумя каналами фотоионизации атома (попросту говоря, косвенные индикаторы позволяли измерить промежуток времени, когда электроны покинули атом).
«В этом эксперименте нам удалось реализовать схему, позволяющую различать относительные фазы двух гармоник лазера на свободных электронах», – комментирует один из авторов – Елена Грызлова, старший научный сотрудник, Д.V.Институт ядерной физики им. Скобельцына МГУ им. «Есть много методов, чтобы устранить или наоборот выделить лишние частоты в видимом излучении.
Но в высокочастотных диапазонах вроде крайнего ультрафиолета или рентгеновского излучения все они неприменимы, так как нет обычных зеркал или поляризаторов. Однако главный вывод, который мы можем сделать на основании этого эксперимента, заключается в том, что управление квантовыми процессами с точностью до нескольких аттосекунд вообще возможно.’
Вклад российских ученых в эту работу значительный: «Наш коллега Алексей Грум-Гржимайло сделал первые выводы и стал соавтором самой идеи эксперимента», – говорит Елена Грызлова. Позже вместе с проф. Светлана Страхова, нам удалось рассчитать масштаб этого эффекта, выяснить, будет ли он вообще заметен.
Затем мы предоставили формулы для извлечения необходимых параметров из общего набора данных, собранных в эксперименте.’
Авторы статьи заявляют, что «дихроматические» лазерные измерения открывают новый горизонт для исследований в области физики сверхбыстрых процессов.
По словам Елены Грызловой, приложение для лучевого времени для проведения подобных экспериментов на FERMI с использованием молекул, i.е., более сложная система, чем неоновый атом, недавно была представлена. Команда занимается исследованием сложных явлений, связанных с каталитическими процессами и химией атмосферы.
«Мы ожидаем, что это научное направление получит дальнейшее развитие, – говорит Елена, – поскольку проблема квантового управления является одним из краеугольных камней современной фундаментальной физики.’