Учёные впервые синхронизировали аттосекундные рентгеновские импульсы

Исследователи из Института Пола Шеррера (PSI) впервые продемонстрировали технику синхронизации ультракоротких рентгеновских импульсов на лазере на свободных электронах SwissFEL. Это достижение открывает новые возможности для наблюдения за сверхбыстрыми атомными и молекулярными процессами с аттосекундной точностью.

На SwissFEL исследователи PSI продемонстрировали технику, известную как синхронизация мод, которая позволяет получать полностью когерентные ультракороткие рентгеновские импульсы. На фото видны несколько модулей ондуляторов (синие); между каждой парой находятся магнитные шиканы, используемые для задержки электронов. Автор: Институт Пола Шеррера / Маркус Фишер

Для изучения быстрых процессов требуются яркие и короткие рентгеновские импульсы, но внутри них свет внутренне неупорядочен, что ограничивает точность экспериментов. Чтобы обуздать эту случайность, команда PSI успешно применила технику синхронизации мод для генерации серий импульсов, когерентных во времени.

«Теперь мы можем получать полностью упорядоченные во времени и по частоте импульсы очень контролируемым образом», — говорит физик-ускоритель Эдуард Прат, руководивший исследованием, опубликованным в Physical Review Letters.

Серия когерентных рентгеновских импульсов (верхний и средний графики) генерируется из пучка электронов (нижний график). Интервал между рентгеновскими импульсами задаётся внешним оптическим лазером, который накладывает периодическую структуру на электроны. Автор: Институт Пола Шеррера PSI / Вэньсян Ху

Рентгеновские импульсы в аттосекундном диапазоне дают окно в движение электронов — самые быстрые процессы в атомах и молекулах, лежащие в основе всех химических и физических изменений. Полностью когерентные рентгеновские импульсы, подобные импульсам оптического лазера, в сочетании с исключительной яркостью лазера на свободных электронах открывают путь к аттосекундной рентгеновской науке и новым экспериментам, вдохновлённым лазерной квантовой оптикой.

«Теперь у нас есть перспектива получить очень точные часы, по которым аттосекундные импульсы прибывают к образцу, что означает, что мы сможем синхронизировать явления, наблюдаемые с помощью рентгеновских лучей в газах, жидкостях и твёрдых телах, с беспрецедентной точностью», — говорит Габриэль Эппли, глава Центра фотонных наук PSI.

Генерация импульсов в SwissFEL основана на технике самоусиливающегося спонтанного излучения. Для улучшения временной когерентности исследователи использовали метод синхронизации мод: электроны проходят через серию настроенных магнитных шикан, которые задерживают частицы и увеличивают их временную когерентность, одновременно внешний лазер ограничивает излучающие части электронного пучка.

В результате излучение состоит из серии одинаково разделённых, синхронизированных по фазе ультракоротких импульсов. Сгенерированные импульсы находились в аттосекундном диапазоне: эксперимент использовал лазер с длиной волны 790 нанометров, производя серию рентгеновских импульсов, разделённых 2,6 фс, каждый длительностью менее одной фемтосекунды.

Это первая экспериментальная демонстрация синхронизации мод на рентгеновском лазере на свободных электронах. Для подтверждения временной когерентности импульсов потребовались продвинутые диагностические инструменты, включая фотонный спектрометр и радиочастотное отклоняющее устройство.

Следующим шагом будет тестирование новых возможностей на реальных экспериментальных образцах. В будущем работа будет направлена на дальнейшее повышение когерентности импульсов, что принесёт пользу пользователям в широком спектре применений — от аттосекундной науки до квантовой оптики.

Больше информации: Wenxiang Hu et al, Demonstration of Mode-Locked Frequency Comb for an X-Ray Free-Electron Laser, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/wn8d-l7sh

Источник: Paul Scherrer Institute