Плазменная линза для фокусировки аттосекундных импульсов

а) Аттосекундный импульс входит в капилляр, где мощный электрический импульс создает водородную плазму. По мере движения электронов к стенкам капилляра они формируют вогнутую линзу, которая фокусирует аттосекундный импульс. b) Аттосекундные импульсы фокусируются в присутствии плазмы. Автор: MBI / Эвалдас Свирплис

Команда исследователей из Института Макса Борна (MBI) в Берлине и DESY в Гамбурге продемонстрировала плазменную линзу, способную фокусировать аттосекундные импульсы. Этот прорыв значительно увеличивает мощность аттосекундных импульсов, доступную для экспериментов, открывая новые возможности для изучения сверхбыстрой электронной динамики. Результаты были опубликованы в журнале Nature Photonics.

Аттосекундные импульсы — вспышки света длительностью всего в миллиардные доли миллиардной доли секунды — являются важнейшими инструментами для наблюдения и управления движением электронов в атомах, молекулах и твердых телах. Однако фокусировка этих импульсов, которые находятся в области экстремального ультрафиолета (XUV) или рентгеновского излучения электромагнитного спектра, оказалась чрезвычайно сложной из-за отсутствия подходящей оптики.

Обычно используются зеркала, но они обладают низкой отражательной способностью и быстро деградируют. Линзы, хотя и являются самым простым инструментом для фокусировки видимого света, не подходят для фокусировки аттосекундных импульсов, поскольку они поглощают XUV-излучение и растягивают аттосекундные импульсы во времени.

Исследователи из MBI и DESY решили эту проблему, создав плазменную линзу. Для её создания они пропускают мощные электрические импульсы через водородный газ внутри крошечной трубки. Этот процесс отрывает электроны от атомов водорода, создавая плазму. Электроны естественным образом движутся наружу к краям трубки, формируя плазму в виде вогнутой линзы.

Обычно такая линза рассеивала бы свет, а не фокусировала его. Но поскольку плазма преломляет свет иначе, чем обычные материалы, она вместо этого фокусирует аттосекундные импульсы.

В своей публикации исследователи показали, что плазменная линза может фокусировать аттосекундные импульсы в различных диапазонах XUV-излучения с регулируемым фокусным расстоянием, контролируемым плотностью плазмы. Они также достигли высокого коэффициента пропускания более 80%. Важно, что команда обнаружила, что плазменная линза служит эффективным фильтром для инфракрасных управляющих импульсов, которые обычно требуют тонких металлических фильтров.

Это означает, что эти фильтры больше не нужны, что позволяет пропускать больше аттосекундной мощности. Теперь, с более мощными импульсами, у ученых появились новые возможности для проведения аттосекундных экспериментов, которые часто ограничены слабыми источниками света.

Чтобы лучше понять, как ведут себя сфокусированные аттосекундные импульсы во времени, ученые провели компьютерное моделирование. Они обнаружили, что импульсы растягиваются лишь незначительно — с 90 до 96 аттосекунд. В более реалистичных условиях — когда разные цвета аттосекундного импульса прибывают в slightly разное время (явление, известное как чирп) — плазменная линза фактически укоротила импульсы. В этом случае длительность импульса уменьшилась с 189 до 165 аттосекунд.

Экспериментально продемонстрировав аттосекундную плазменную линзу, исследователи устранили основное ограничение в аттосекундной науке. Эта методика предлагает простую юстировку, высокое пропускание и возможность фокусировки света на разных длинах волн. Эти преимущества открывают двери для широкого спектра применений — от картирования электронной динамики в сложных материалах до развития квантовых технологий и создания следующего поколения сверхбыстрой микроскопии.

Больше информации: Эвалдас Свирплис и др., Плазменная линза для фокусировки аттосекундных импульсов, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01794-y

Источник: Институт нелинейной оптики и спектроскопии коротких импульсов имени Макса Борна