Vědci z Institutu Maxe Borna (MBI) dosáhli významného průlomu v laserové technologii tím, že plně charakterizovali extrémně krátké (femtosekundové) světelné pulzy laditelné v celém vakuovém ultrafialovém (VUV) spektru. Tento úspěch otevírá nové možnosti pro studium dynamiky elektronů v materiálech s nebývalou časovou přesností a slibuje revoluci v oblastech, jako je materiálová věda a chemická fyzika.
Výzva: Měření ultrarychlých VUV pulzů
Generování a měření světelných pulzů v rozsahu VUV je pro vědce již dlouho vážnou výzvou. Většina materiálů vykazuje elektronické rezonance v hlubokých a vakuových UV oblastech, což znamená, že silně absorbují světlo na těchto vlnových délkách. Tato absorpce v kombinaci s Kramers-Kronigovým vztahem má za následek vysokou disperzi materiálu, což ztěžuje manipulaci a přesné měření těchto prchavých pulzů.
Nejnovější technologie: Resonant Dispersive Wave Emission (RDW)
Vývoj této schopnosti je založen na práci Johna C. Traversa z Heriot-Watt University, UK. Travers vyvinul techniku využívající emise rezonančního disperzního vlnového záření (RDW) po samokompresi solitonu ve vlnovodech. Tento proces umožňuje generování velmi krátkých (úroveň µJ) laditelných UV pulzů pokrývajících široký rozsah vlnových délek až do 110 nm.
Dostupnost vysoce kvalitních dutých vlnovodů vyvinutých natahováním pružných kapilár byla pro úspěch této techniky rozhodující. Tato inovace, kterou společně vytvořili Travers a Peter Simon z Institutu pro nanofotoniku Göttingen v Německu, vydláždila cestu k dalšímu pokroku.
Charakterizujte neměřitelné: Elektronická ŽÁBA
Navzdory předchozímu pokroku zůstaly nejkratší vlnové délky v rozsahu VUV (100–200 nm) z velké části neprozkoumané kvůli extrémní absorpci a disperzi vlastní materiálům na těchto frekvencích. Nyní vědci MBI úspěšně rozšířili rozsah techniky RDW do tohoto nepolapitelného spektrálního rozsahu VUV.
Jejich klíčovou inovací je nová charakterizační technika zvaná elektronická FROG, komplexní variace frekvenčně rozlišené optické brány (FROG). Tato technika využívá dvoufotonovou ionizaci vzácných plynů k poskytnutí jedinečné nelinearity. Přesným měřením spektra kinetické energie výsledných fotoelektronů mohou vědci dešifrovat tvar a trvání ultrakrátkých VUV pulsů.
Jak funguje elektronická ŽÁBA:
- Dva pulsy ozáří terč ušlechtilého plynu.
- Pulsy ionizují plyn a generují fotoelektrony.
- Spektrum kinetické energie těchto fotoelektronů se zaznamenává jako funkce časového zpoždění mezi dvěma pulzy.
- Specializovaný algoritmus obnovy fáze pak rekonstruuje tvar pulzu z výsledného spektrogramu.
Jedinečná výhoda: atomové otisky prstů
Elektronická FROG nabízí významnou výhodu oproti standardním technikám: naměřené spektrogramy nejen odhalují tvar pulsu, ale zahrnují také „otisk“ atomové struktury cílového plynu. Tento jemný vliv si vyžádal vývoj nového algoritmu obnovy fáze založeného na algoritmu diferenciální evoluce.
Přesnost měření byla přísně ověřena srovnáním s výpočty kvantové mechaniky ab initio (TDSE). Výsledky ukazují, že VUV pulzy generované RDW mají překvapivě krátké trvání 2–3 fs, což je v souladu s předchozími simulacemi.
Studujte molekulární dynamiku do bezprecedentních podrobností
Kromě charakterizace byla hardwarová sada e-FROG použita pro měření kolébkové sondy na malých organických molekulách, jako je ethylen. Tato měření, prováděná s bezprecedentním časovým rozlišením, poskytují nový pohled na nejranější fáze relaxační dynamiky po fotoexcitaci. Vědci nyní analyzují data a porovnávají je s pokročilými simulacemi molekulární dynamiky, aby plně porozuměli základním procesům.
Tento průlom v charakterizaci pulzů VUV otevírá novou éru pro studium dynamiky valenčních elektronů a slibuje prohloubení našeho chápání materiálů na základní úrovni.
Schopnost přesně měřit a řídit tyto ultrarychlé VUV pulsy nepochybně podnítí další inovace v různých vědeckých oborech, což umožní bezprecedentní výzkum chování molekul a materiálů.
