Naukowcy z Instytutu Maxa Borna (MBI) osiągnęli znaczący przełom w technologii laserowej, w pełni charakteryzując niezwykle krótkie (o długości femtosekundowej) impulsy świetlne, które można przestrajać w całym widmie próżniowego ultrafioletu (VUV). To osiągnięcie otwiera nowe możliwości badania dynamiki elektronów w materiałach z niespotykaną precyzją czasową i stanowi obietnicę zrewolucjonizowania takich dziedzin, jak inżynieria materiałowa i fizyka chemiczna.
Wyzwanie: pomiar ultraszybkich impulsów VUV
Generowanie i pomiar impulsów świetlnych w zakresie VUV od dawna stanowi poważne wyzwanie dla naukowców. Większość materiałów wykazuje rezonanse elektroniczne w głębokim i próżniowym zakresie UV, co oznacza, że silnie absorbują światło o tych długościach fal. Absorpcja ta, w połączeniu z zależnością Kramersa-Kroniga, skutkuje dużym rozproszeniem materiału, co sprawia, że niezwykle trudno jest manipulować i dokładnie mierzyć te ulotne impulsy.
Najnowsza technologia: rezonansowa emisja fal dyspersyjnych (RDW)
Rozwój tej możliwości opiera się na pracach Johna C. Traversa z Uniwersytetu Heriot-Watt w Wielkiej Brytanii. Travers opracował technikę wykorzystującą emisję rezonansowego promieniowania fal dyspersyjnych (RDW) po samokompresji solitonu w falowodach. Proces ten umożliwia generowanie bardzo krótkich (poziom µJ) przestrajalnych impulsów UV obejmujących szeroki zakres długości fal aż do 110 nm.
Dostępność wysokiej jakości pustych falowodów opracowanych poprzez rozciąganie elastycznych kapilar miała kluczowe znaczenie dla powodzenia tej techniki. Ta innowacja, stworzona wspólnie przez Traversa i Petera Simona z Instytutu Nanofotoniki w Getyndze w Niemczech, utorowała drogę do dalszych postępów.
Scharakteryzuj to, co niezmierzone: Elektroniczna ŻABA
Pomimo wcześniejszego postępu, najkrótsze długości fal w zakresie VUV (100–200 nm) pozostały w dużej mierze niezbadane ze względu na ekstremalną absorpcję i dyspersję właściwą materiałom przy tych częstotliwościach. Teraz naukowcom z MBI udało się rozszerzyć zakres techniki RDW na ten nieuchwytny zakres widma VUV.
Ich kluczową innowacją jest nowa technika charakteryzacji zwana elektroniczną FROG, będąca złożoną odmianą bramki optycznej o rozdzielczości częstotliwościowej (FROG). Technika ta wykorzystuje dwufotonową jonizację gazów szlachetnych, aby zapewnić wyjątkową nieliniowość. Precyzyjnie mierząc widmo energii kinetycznej powstałych fotoelektronów, naukowcy mogą rozszyfrować kształt i czas trwania ultrakrótkich impulsów VUV.
Jak działa elektroniczna ŻABA:
- Dwa impulsy napromieniają cel z gazu szlachetnego.
- Impulsy jonizują gaz, wytwarzając fotoelektrony.
- Widmo energii kinetycznej tych fotoelektronów rejestruje się jako funkcję opóźnienia czasowego pomiędzy dwoma impulsami.
- Specjalistyczny algorytm odzyskiwania fazy rekonstruuje następnie kształt impulsu na podstawie powstałego spektrogramu.
Unikalna zaleta: atomowe odciski palców
Elektroniczna FROG oferuje znaczną przewagę nad standardowymi technikami: zmierzone spektrogramy nie tylko ujawniają kształt impulsu, ale także zawierają „odcisk palca” struktury atomowej docelowego gazu. Ten subtelny wpływ wymagał opracowania nowego algorytmu odzyskiwania fazy w oparciu o algorytm ewolucji różnicowej.
Dokładność pomiarów została ściśle zweryfikowana poprzez porównanie z obliczeniami mechaniki kwantowej ab initio (TDSE). Wyniki pokazują, że impulsy VUV generowane przez RDW mają zaskakująco krótki czas trwania, wynoszący 2–3 fs, co jest zgodne z wcześniejszymi symulacjami.
Badaj dynamikę molekularną z niespotykaną dotąd szczegółowością
Oprócz charakteryzacji zestaw sprzętu e-FROG wykorzystano do pomiarów sondą kołyskową małych cząsteczek organicznych, takich jak etylen. Te pomiary, wykonane z niespotykaną dotąd rozdzielczością czasową, dostarczają nowego wglądu w najwcześniejsze etapy dynamiki relaksacji po fotowzbudzeniu. Naukowcy analizują obecnie dane i porównują je z zaawansowanymi symulacjami dynamiki molekularnej, aby w pełni zrozumieć leżące u ich podstaw procesy.
Ten przełom w charakterystyce impulsów VUV otwiera nową erę w badaniach dynamiki elektronów walencyjnych i obiecuje pogłębienie naszej wiedzy o materiałach na poziomie podstawowym.
Możliwość dokładnego pomiaru i kontrolowania tych ultraszybkich impulsów VUV niewątpliwie pobudzi dalsze innowacje w różnych dyscyplinach naukowych, umożliwiając bezprecedensowe badania nad zachowaniem cząsteczek i materiałów.
