Во многих фильмах герой или герой картины оказываются в очень-очень темном помещении, где за ними что-то следит или их кто-то преследует, или им нужно что-то найти. Данные сцены не были бы и в половину столь напряженными, если бы у них в руках не было бы самых худших в мире фонариков, световое пятно которого меньше монетки. Шутки шутками, но фокусирование большого объема излучения на малой исследуемой площади является крайне важным аспектом исследования множества явлений и процессов в точных науках. Ученым из Европейского XFEL (Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах; Шенефельд, Германия) удалось сфокусировать чрезвычайно интенсивные рентгеновские вспышки длительностью 300 аттосекунд на площадь в 100000 раз меньше площади поперечного сечения человеческого волоса. Как им удалось сгенерировать такое излучение, и что оно позволяет рассмотреть? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

С момента открытия метода генерации аттосекундных (1 ас = 10−18 с или 0.000000000000000001 с) оптических импульсов посредством генерации высших гармоник (HHG от high-harmonic generation) сверхбыстрые измерения с использованием таких импульсов произвели революцию в понимании динамики электронов, протекающей в характерных для нее временных масштабах. Хотя метод HHG позволяет получать аттосекундные импульсы в диапазонах экстремального ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения, его распространение на область более коротких длин волн сопряжено с серьезными трудностями, что обусловлено резким снижением эффективности преобразования при более высоких энергиях фотонов.

В диапазоне жесткого рентгеновского излучения (т.е. С высокой энергией фотонов) рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL от X-ray free-electron laser) уникальным образом сочетают длины волн атомного масштаба с высокой энергией импульсов и их фемтосекундной длительностью. Недавние достижения в области управления электронными пучками позволили получать излучение от ультракоротких фрагментов электронных сгустков, что привело к сокращению длительности импульсов XFEL до аттосекундного диапазона. Благодаря ряду взаимодополняющих подходов работа XFEL в аттосекундном режиме была продемонстрирована как в мягком, так и в жестком рентгеновском диапазонах. Ожидается, что аттосекундные импульсы жесткого рентгеновского излучения откроют новые научные возможности. Так, их сверхкороткая длительность позволяет проводить рентгеновские измерения до того, как в процессе облучения успеет развиться значительное электронное возбуждение. Это открывает перспективы для исследования нелинейных рентгеновских явлений высших порядков, а также для реализации методов рентгеновской дифракции и спектроскопии, не вызывающих радиационного повреждения образца. Кроме того, использование нескольких аттосекундных импульсов, полученных с помощью оптических систем разделения и задержки, может обеспечить когерентное управление атомами и молекулами посредством интерференции квантовых путей.

Для многих потенциальных областей применения аттосекундных импульсов жесткого рентгеновского излучения два параметра импульса имеют решающее значение для эффективности измерений. Первый — это плотность энергии (флюенс), определяемая как энергия импульса, приходящаяся на единицу площади. Рентгеновские импульсы с высокой плотностью энергии особенно эффективны при исследовании микроскопических образцов, размеры которых меньше размера рентгеновского пучка. Второй параметр — пиковая интенсивность, определяемая как плотность энергии, деленная на длительность импульса. Рентгеновские импульсы высокой интенсивности позволяют вызывать выраженные нелинейные эффекты.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые достигли рекордных значений флюенса и пиковой интенсивности аттосекундных импульсов жесткого рентгеновского излучения, используя сочетание мощного источника аттосекундных импульсов на базе рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) и передовой фокусирующей оптики. Высокая мощность источника обеспечивается за счет режима self-chirping (самостоятельного формирования частотной модуляции электронного пучка), разработанного на Европейском XFEL. В этом режиме электронный пучок длительностью несколько фемтосекунд и с высокой пиковой плотностью тока (около 10 кА) приобретает сильный энергетический чирп (т. е. закономерное изменение энергии электронов во времени) под действием продольных эффектов пространственного заряда и когерентного синхротронного излучения при прохождении через линейный ускоритель. Затем пучок с таким энергетическим чирпом сжимается в дуговом участке ускорителя, после чего поступает в ондулятор SASE-2, где генерирует аттосекундные импульсы жесткого рентгеновского излучения с энергией в несколько сотен микроджоулей. Эта энергия более чем на порядок превышает значения, ранее полученные для аттосекундных импульсов жесткого рентгеновского излучения.

Таблица №1

Фокусировка рентгеновских импульсов осуществляется с помощью оптической системы на основе четырехкратного полного внешнего отражения, называемой усовершенствованной системой зеркал Киркпатрика — Баэза (AKB от advanced Kirkpatrick–Baez). Благодаря ахроматическим характеристикам и высокой устойчивости к повреждениям под воздействием излучения система AKB эффективно фокусирует импульсы жесткого рентгеновского излучения, сохраняя при этом их временные характеристики. Подробное описание оптической конструкции приведено в таблице выше.

Результаты исследования

Эксперименты со сфокусированными аттосекундными импульсами жесткого рентгеновского излучения проводились на станции MID (от Materials Imaging and Dynamics) линии SASE-2 в Европейском XFEL. Ускоритель работал в режиме самочирпирования (от self-chirping) при энергии электронного пучка 14 ГэВ, генерируя аттосекундные рентгеновские импульсы с центральной энергией фотонов 10 кэВ и частотой повторения 10 Гц. Энергия импульсов, измеренная с помощью калиброванного газового монитора рентгеновского излучения в туннеле XTD1 (расположенном на расстоянии 210 м от выхода из ондулятора), составляла в среднем 140 мкДж, при этом максимальная энергия импульса достигала 380 мкДж.

Из-за большого расстояния между ондуляторами и экспериментальной станцией (почти 1 км) после ондуляторов была установлена составная преломляющая линза из бериллия, предназначенная для коллимации рентгеновского пучка и согласования его размера с оптической апертурой, расположенной далее по ходу пучка. Затем пучок направлялся с помощью двух плоских зеркал с покрытием из карбида бора (B4C), установленных под скользящим углом падения (около 2.6 мрад) для подавления вклада высших гармоник.

Спектр каждого отдельного импульса измерялся неразрушающим методом с помощью спектрометра HIREX, состоящего из двумерного детектора и изогнутого алмазного кристалла (отражающая плоскость 220). Спектрометр расположен сразу за плоскими зеркалами в туннеле XTD6. Система фокусировки состояла из двух монолитных зеркал, установленных в вакуумной многоцелевой камере (MPC от multipurpose chamber) на станции MID. Оба зеркала были закреплены на независимых гексаподах.

Непосредственно перед фокусирующей оптикой был размещен проходной монитор интенсивности. Монитор измерял рассеяние рентгеновского излучения на поликристаллической алмазной пленке толщиной 15 мкм с использованием детектора ePix-100. Интегральная интенсивность рассеяния для каждого импульса сопоставлялась с энергией импульса в фокальной точке. Последняя измерялась с помощью лазерного измерителя мощности, предварительно откалиброванного по рентгеновскому калориметру.

Изображение №1

На 1a представлены спектры отдельных импульсов, зарегистрированные в ходе 12 последовательных выстрелов. Как правило, такие спектры содержат лишь несколько пиков, что существенно отличается от спектров обычных фемтосекундных импульсов рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL), генерируемых в режиме самопроизвольного усиления спонтанного излучения и обычно состоящих из нескольких десятков пиков. Эта спектральная особенность согласуется с тем, что генерация излучения происходит только в пределах ультракороткого фрагмента электронного сгустка. На 1b приведено распределение количества спектральных пиков, полученное по результатам 74000 выстрелов. В 13.7% случаев спектр импульса содержал единственный пик. При подсчете пиков учитывались только те из них, высота которых составляла не менее 20% от максимальной интенсивности спектра, а выраженность — не менее 5% от этого же максимума. Спектр таких однопиковых импульсов практически симметричен относительно центральной энергии фотонов и может быть с хорошей точностью аппроксимирован гауссовой функцией (1c).

Изображение №2

Энергия таких однопиковых импульсов в фокальной точке составляла в среднем 45 мкДж, достигая 100 мкДж. Типичная ширина спектра на полувысоте (FWHM от full width at half-maximum) равнялась 6 эВ (2a–2c). Если предположить, что импульс имеет гауссову форму и является спектрально-ограниченным, то такая ширина спектра соответствует длительности импульса 300 ас (аттосекунд) на полувысоте. При наличии линейной или нелинейной частотной модуляции (чирпа) реальная длительность импульса оказывается больше этого предельного значения. Тем не менее в данном случае допущение о спектрально-ограниченном импульсе позволяет получить вполне обоснованную оценку.

Моделирование процесса усиления в лазере на свободных электронах в режиме самомодуляции частоты показывает, что спектральный чирп генерируемых рентгеновских импульсов невелик. Это означает, что их длительность близка к предельно возможной (спектрально-ограниченной). Распределение интенсивности в фокусе исследовалось методом сканирования с помощью золотых проволок (2d). Чтобы избежать радиационного повреждения проволоки, энергию падающих рентгеновских импульсов уменьшали в 107 раз с помощью аттенюаторов, установленных в канале транспортировки пучка. Шаг сканирования составлял 100 нм. В каждой точке собирались данные по 50 последовательным импульсам. Интенсивность прошедшего пучка измерялась детектором Jungfrau 0.5M, расположенным на расстоянии 600 мм за проволокой. Профили пучка как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях хорошо описывались гауссовыми функциями. Размер фокального пятна составил 180 ± 12 нм (по горизонтали) и 330 ± 36 нм (по вертикали), где погрешности соответствуют неопределенностям аппроксимации. Стабильность направления падающих рентгеновских импульсов (от импульса к импульсу) в системе AKB составляла порядка 10 нрад, что приводило к пренебрежимо малым поперечным смещениям рентгеновского пучка в фокальной плоскости.

На основе приведенных выше параметров были оценены плотность энергии (флюенс) и пиковая интенсивность в фокальной точке: они составили (6.7 ± 0.9) × 104 Дж/см2 и (2.1 ± 0.3) × 1020 Вт/см2 соответственно. Эти значения были рассчитаны по формулам: (4ln2/π) × 45 мкДж / (180 ± 12 нм × 330 ± 36 нм) для плотности энергии и (4ln2/π)3/2 × 45 мкДж / (180 ± 12 нм × 330 ± 36 нм × 300 ас) для пиковой интенсивности. Здесь коэффициенты 4ln2/π и (4ln2/π)3/2 учитывают гауссовские пространственный и временной профили, определяемые размерами пучка и длительностью импульса. Достигнутые значения плотности энергии и интенсивности примерно на порядок превышают показатели, зафиксированные к настоящему времени для аттосекундных импульсов XFEL (2 × 103 Дж/см2 и 3 × 1019 Вт/см2).

Примечательно, что достигнутые значения флюенса и интенсивности сопоставимы с наиболее высокими показателями, описанными ранее для сильно сфокусированных фемтосекундных импульсов XFEL, или даже превосходят их — за исключением одного недавнего эксперимента, в котором были достигнуты интенсивности порядка 1022 Вт/см2. Столь высокие значения флюенса и интенсивности фемтосекундных импульсов XFEL открыли широкие возможности для различных исследований, включая изучение нелинейных рентгеновских явлений, коллективного рентгеновского излучения и когерентной визуализации с высоким разрешением. Продемонстрированные в данной работе аттосекундные импульсы жесткого рентгеновского излучения, характеризующиеся высокими значениями флюенса и интенсивности, позволят распространить эти возможности на аттосекундный временной диапазон.

Для подтверждения высокой пиковой интенсивности генерируемых аттосекундных импульсов ученые исследовали нелинейное взаимодействие рентгеновского излучения с веществом, а именно — усиленное спонтанное излучение (ASE от amplified spontaneous emission) атомов меди. ASE представляет собой коллективный радиационный процесс, при котором спонтанно испущенные фотоны усиливаются в результате вынужденного излучения при распространении через среду с инверсной населенностью уровней. В диапазоне жесткого рентгеновского излучения ASE может возникать в мишенях из 3d-переходных металлов при их облучении интенсивными рентгеновскими импульсами, энергия фотонов в которых превышает энергию связи электронов на K-оболочке. Согласно литературным данным, пороговая интенсивность для возникновения ASE составляет порядка 1019 Вт/см2. Для достижения насыщения ASE необходимо создать достаточно большую населенность состояний с вакансиями на внутренних электронных оболочках. Одной из возможных причин насыщения ASE является истощение основного состояния вследствие фотоионизации, происходящее за время, меньшее длительности флуоресцентного излучения. Длительность флуоресценции ограничена временем жизни вакансии на внутренней оболочке (τc), в то время как скорость фотоионизации может быть аппроксимирована выражением σphI/(ℏω), где σph — сечение фотопоглощения на внутренних оболочках для нейтрального атома, I — интенсивность рентгеновского излучения, а ℏω — энергия фотона. Условие истощения основного состояния за время флуоресценции позволяет оценить интенсивность накачки, необходимую для насыщения ASE: ℏω/(σphτc). Для меди, облучаемой рентгеновским импульсом с энергией фотонов 10 кэВ, интенсивность, требуемая для насыщения ASE, оценивается в 1.7 × 1020 Вт/см2 (при ℏω = 10 кэВ, σph = 2.3 × 104 барн/атом и τc = 0.4 фс). Поскольку эта величина сопоставима с оценочной пиковой интенсивностью рассматриваемых аттосекундных импульсов, эффект ASE служит идеальным критерием для подтверждения генерации рентгеновских импульсов сверхвысокой интенсивности.

Изображение №3

Измерения ASE проводились с использованием медной фольги толщиной 20 мкм, расположенной в фокальной плоскости. Флуоресцентный сигнал, испускаемый в прямом направлении, регистрировался детектором Jungfrau 0.5M, установленным на расстоянии 600 мм от мишени по ходу пучка. Чтобы предотвратить насыщение детектора и подавить регистрацию прошедших через мишень или рассеянных фотонов с энергией 10 кэВ, перед детектором (на расстоянии 20 мм) была помещена дополнительная медная фольга толщиной 120 мкм. Выше представлено количество зарегистрированных фотонов флуоресценции в зависимости от энергии падающего на мишень импульса (для однопиковых импульсов). Выход флуоресценции демонстрирует примерно экспоненциальный рост с увеличением энергии импульса вплоть до ~20 мкДж, что является характерным признаком ASE непосредственно над порогом интенсивности. При более высоких энергиях импульса рост выхода флуоресценции постепенно замедляется и в конечном итоге выходит на насыщение. Скользящее среднее число зарегистрированных фотонов флуоресценции стремится к постоянному значению при энергиях импульса выше 50 мкДж. Такое поведение служит явным свидетельством насыщения ASE. Если предположить, что длительность импульса составляет 300 ас, то пиковая интенсивность, соответствующая энергии импульса 50 мкДж, составит 2.3 × 1020 Вт/см2. Это значение хорошо согласуется с расчетной интенсивностью, необходимой для достижения насыщения ASE (1.7 × 1020 Вт/см2), как обсуждалось выше. Таким образом, полученные результаты подтверждают генерацию импульсов высокой интенсивности — порядка 1020 Вт/см2.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Продемонстрированные в этом исследовании жесткие рентгеновские аттосекундные импульсы с высокой интенсивностью и плотностью потока расширяют возможности рентгеновских лазеров на свободных электронах во многих отношениях. Например, продемонстрированная пиковая интенсивность подчеркивает потенциал генерируемых импульсов как платформы для исследования нелинейных рентгеновских процессов более высокого порядка.

Помимо нелинейной рентгеновской науки, эти импульсы также предоставляют новые возможности для определения структуры без электронных повреждений путем исследования вещества до того, как произойдут существенные электронные релаксации и повреждения.

Кроме того, сочетание сверхкороткой длительности, высокого потока фотонов и сильных электрических полей открывает перспективы для манипулирования электронными волновыми пакетами и когерентного управления атомной и молекулярной динамикой с помощью рентгеновских лучей. Таким образом, продемонстрированные жесткие рентгеновские аттосекундные импульсы представляют собой значительный шаг к наблюдению, управлению и контролю электронных процессов в веществе на их собственных временных масштабах с пространственным разрешением атомного масштаба.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?