Сверхбыстрые рентгеновские импульсы увеличили эффективность фотоионизации в 100 раз

Сверхбыстрая двойная резонансная ионизация высокозаряженного криптона: последовательное поглощение двух рентгеновских фотонов создает дважды возбужденное состояние, которое затем распадается путем автоионизации. Автор: Институт ядерной физики Макса Планка

Скорость имеет значение. Когда рентгеновский фотон возбуждает атом или ион, заставляя электрон внутренней оболочки перейти на более высокий энергетический уровень, открывается кратковременное «окно возможностей». Всего на несколько фемтосекунд, прежде чем электрон заполнит вакансию на нижнем энергетическом уровне, у второго фотона появляется шанс быть поглощенным другим электроном внутренней оболочки, создавая дважды возбужденное состояние.

Используя 5000 интенсивных рентгеновских вспышек в секунду, генерируемых European XFEL, международная команда ученых исследовала такие состояния с двойной вакансией на внутренних оболочках в высокоионизированном криптоне, используя фотоны с практически одинаковой энергией или «цветом».

Для своих экспериментов ученые из European XFEL и Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге, а также шести других учреждений Германии, Италии, Португалии и США использовали высокозаряженный криптон Kr²⁶⁺, лишенный всех электронов, кроме десяти.

«Это позволило нам получить четкую картину процесса, исключив нежелательный вклад других электронов», — говорит Томас Бауманн, руководитель операций на научном инструменте SQS, где проводилась работа. Использование этих ионов криптона было выгодно, потому что для обоих шагов резонансного возбуждения двух электронов внутренней оболочки требуемая энергия фотонов очень похожа. Таким образом, можно было использовать одноцветный рентгеновский пучок с полосой пропускания всего 0,5%.

«Это перекрытие резонансных энергий коренится в релятивистских эффектах», — поясняет Мото Тогава, первый автор публикации в Physical Review Letters. «Они приводят к сдвигу энергетических уровней электронов внутренней оболочки, что позволяет осуществить идеальный двойной резонанс».

Спустя несколько фемтосекунд дважды возбужденное состояние распадается за счет эмиссии электрона, генерируя состояние с более высоким зарядом. По сравнению с простой фотоионизацией, дважды резонансный путь приводит к более чем 100-кратному увеличению поглощения фотонов, значительно повышая эффективность.

По словам Хосе Креспо Лопес-Уррутии, руководителя группы в MPIK: «Этот эффект не только углубляет наше понимание того, как свет и материя взаимодействуют в экстремальных условиях, но и открывает новые возможности для высокоточных рентгеновских измерений».

Ученые полагают, что их результаты применимы в качестве эффективной схемы возбуждения для будущих экспериментов с временным разрешением с использованием двухцветного режима ондулятора SASE3 в European XFEL. Кроме того, можно представить расширение экспериментов с жестким рентгеновским излучением с использованием XFELO (рентгеновских лазеров на свободных электронах с осциллятором), разрабатываемых в European XFEL.

Больше информации: Moto Togawa et al, Enhanced One-Color-Two-Photon Resonant Ionization in Highly Charged Ions by Fine-Structure Effects, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/mhks-ktxw

Источник: European XFEL