Ученые из Института Макса Борна (MBI) добились значительного прорыва в лазерной технологии, полностью охарактеризовав чрезвычайно короткие (продолжительностью в несколько фемтосекунд) импульсы света, настраиваемые по всему спектру вакуумного ультрафиолета (VUV). Это достижение открывает новые возможности для изучения динамики электронов в материалах с беспрецедентной временной точностью и обещает революцию в таких областях, как материаловедение и химическая физика.
Задача: измерение ультрабыстрых VUV-импульсов
Генерация и измерение световых импульсов в VUV-диапазоне долгое время была серьезной проблемой для ученых. Большинство материалов проявляют электронные резонансы в глубоко- и вакуумно-УФ диапазонах, то есть они сильно поглощают свет на этих длинах волн. Это поглощение, в сочетании с соотношением Крамерса — Кронига, приводит к высокой дисперсии материала, что делает чрезвычайно трудным обращение и точное измерение этих мимолетных импульсов.
Новейшая техника: Эмиссия резонансного дисперсивного волнового излучения (RDW)
Разработка этой возможности основана на работе Джона К. Трэверса из Университета Хериот-Ватт, Великобритания. Трэверс разработал технику, использующую эмиссию резонансного дисперсивного волнового излучения (RDW) после самосжатия солитона в волноводах. Этот процесс позволяет генерировать очень короткие (уровень мкДж) настраиваемые УФ-импульсы, охватывающие широкий диапазон длин волн до 110 нм.
Критически важным было наличие высококачественных полых волноводов, разработанных путем растяжения гибких капилляров, что было необходимо для успешности этой техники. Эта инновация, совместно созданная Трэверсом и Питером Саймоном из Института нанофотоники Гёттинген, Германия, проложила путь для дальнейших достижений.
Охарактеризовать неизмеримое: Электронный FROG
Несмотря на предыдущий прогресс, самые короткие длины волн VUV-диапазона (100–200 нм) оставались в значительной степени неисследованными из-за экстремального поглощения и дисперсии, присущих материалам на этих частотах. Теперь ученые из MBI успешно расширили область применения техники RDW до этого неуловимого VUV-спектрального диапазона.
Их ключевой инновацией является новая техника характеризации под названием электронный FROG, сложная вариация частотно-разрешенного оптического затвора (FROG). Эта техника использует двухфотонную ионизацию благородных газов для обеспечения уникальной нелинейности. Точно измеряя спектр кинетической энергии полученных фотоэлектронов, ученые могут расшифровать форму и продолжительность ультракоротких VUV-импульсов.
Как работает электронный FROG:
- Два импульса облучают мишень из благородного газа.
- Импульсы ионизируют газ, генерируя фотоэлектроны.
- Спектр кинетической энергии этих фотоэлектронов регистрируется как функция задержки во времени между двумя импульсами.
- Специализированный алгоритм фазового восстановления затем реконструирует форму импульса из получившейся спектрограммы.
Уникальное преимущество: атомные «отпечатки»
Электронный FROG предлагает значительное преимущество по сравнению со стандартными техниками: измеренные спектрограммы не только раскрывают форму импульса, но и включают в себя «отпечаток» атомной структуры целевого газа. Это тонкое влияние потребовало разработки нового алгоритма фазового восстановления, основанного на алгоритме дифференциационной эволюции.
Точность измерений была строго проверена путем сравнения с расчетами по квантовой механике ab initio (TDSE). Результаты показывают, что VUV-импульсы, генерируемые с помощью RDW, имеют удивительно короткую продолжительность 2–3 фс, что соответствует предыдущим симуляциям.
Изучение динамики молекул с беспрецедентной детализацией
Помимо характеризации, аппаратный комплекс электронного FROG был использован для измерений с использованием метода «качалка-зонд» на небольших органических молекулах, таких как этилен. Эти измерения, выполненные с беспрецедентным временным разрешением, дают новые сведения о самых ранних этапах релаксационной динамики после фотовозбуждения. В настоящее время исследователи анализируют данные и сравнивают их с продвинутыми молекулярными динамическими симуляциями, чтобы полностью понять основные процессы.
Этот прорыв в характеризации VUV-импульсов открывает новую эру для изучения динамики валентных электронов и обещает углубить наше понимание материалов на фундаментальном уровне.
Способность точно измерять и контролировать эти ультрабыстрые VUV-импульсы, несомненно, стимулирует дальнейшие инновации в различных научных дисциплинах, позволяя проводить беспрецедентные исследования поведения молекул и материалов.
