Вчені з Інституту Макса Борна (MBI) досягли значного прориву в лазерній технології, повністю охарактеризувавши надзвичайно короткі (фемтосекундні) світлові імпульси, які можна налаштовувати по всьому спектру вакуумного ультрафіолетового (VUV) спектру. Це досягнення відкриває нові можливості для вивчення електронної динаміки в матеріалах із безпрецедентною часовою точністю та обіцяє революцію в таких галузях, як матеріалознавство та хімічна фізика.
Завдання: вимірювання ультрашвидких імпульсів ВУФ
Генерування та вимірювання світлових імпульсів у ВУФ-діапазоні вже давно є серйозною проблемою для вчених. Більшість матеріалів демонструють електронний резонанс у глибокому та вакуумному УФ-діапазонах, тобто вони сильно поглинають світло на цих довжинах хвиль. Це поглинання в поєднанні з співвідношенням Крамерса-Кроніга призводить до високого розсіювання матеріалу, що робить надзвичайно складним обробку та точне вимірювання цих швидкоплинних імпульсів.
Новітня технологія: випромінювання резонансної дисперсійної хвилі (RDW)
Розробка цієї можливості базується на роботі Джона К. Треверса з університету Геріот-Ватт, Великобританія. Траверс розробив техніку, що використовує випромінювання резонансної дисперсійної хвилі (RDW) після самостиску солітонів у хвилеводах. Цей процес дозволяє генерувати дуже короткі (на рівні мкДж) регульовані УФ-імпульси, що охоплюють широкий діапазон довжин хвиль до 110 нм.
Доступність високоякісних порожнистих хвилеводів, розроблених шляхом розтягування гнучких капілярів, була критичною для успіху цієї техніки. Ця інновація, створена спільно Траверсом і Пітером Саймоном з Інституту нанофотоніки Геттінгена, Німеччина, проклала шлях для подальших досягнень.
Схарактеризуйте неосяжне: Електронна ЖАБКА
Незважаючи на попередні досягнення, найкоротші довжини хвиль у ВУФ-діапазоні (100–200 нм) залишалися в основному недослідженими через екстремальне поглинання та дисперсію, притаманні матеріалам на цих частотах. Тепер вчені MBI успішно розширили сферу застосування техніки RDW до цього невловимого спектрального діапазону ВУФ.
Їхньою ключовою інновацією є нова техніка визначення характеристик під назвою electronic FROG, складна варіація оптичного затвора з роздільною частотою (FROG). Ця техніка використовує двофотонну іонізацію благородних газів для забезпечення унікальної нелінійності. Шляхом точного вимірювання спектру кінетичної енергії отриманих фотоелектронів вчені можуть розшифрувати форму та тривалість ультракоротких ВУФ-імпульсів.
Як працює електронна ЖАБА:
- Два імпульси опромінюють мішень благородного газу.
- Імпульси іонізують газ, генеруючи фотоелектрони.
- Спектр кінетичної енергії цих фотоелектронів записується як функція часу затримки між двома імпульсами.
- Спеціалізований алгоритм відновлення фази потім реконструює форму імпульсу з отриманої спектрограми.
Унікальна перевага: атомні відбитки пальців
Електронний FROG пропонує значну перевагу перед стандартними методами: виміряні спектрограми не тільки виявляють форму імпульсу, але також містять «відбиток» атомної структури цільового газу. Цей тонкий вплив вимагав розробки нового алгоритму відновлення фази на основі алгоритму диференціальної еволюції.
Точність вимірювань була суворо перевірена шляхом порівняння з розрахунками квантової механіки ab initio (TDSE). Результати показують, що VUV-імпульси, створені RDW, мають напрочуд коротку тривалість 2–3 фс, що відповідає попереднім моделюванням.
Вивчайте молекулярну динаміку в безпрецедентних деталях
На додаток до визначення характеристик апаратний набір e-FROG використовувався для вимірювань невеликих органічних молекул, таких як етилен, за допомогою зонда. Ці вимірювання, виконані з безпрецедентною роздільною здатністю в часі, дають нове уявлення про найраніші стадії динаміки релаксації після фотозбудження. Зараз дослідники аналізують дані та порівнюють їх із передовим моделюванням молекулярної динаміки, щоб повністю зрозуміти основні процеси.
Цей прорив у характеристиці ВУФ-імпульсів відкриває нову еру для вивчення динаміки валентних електронів і обіцяє поглибити наше розуміння матеріалів на фундаментальному рівні.
Здатність точно вимірювати та контролювати ці ультрашвидкі ВУФ-імпульси, безсумнівно, стимулюватиме подальші інновації в різних наукових дисциплінах, уможливлюючи безпрецедентні дослідження поведінки молекул і матеріалів.
