Новый метод генерации рентгеновского излучения, разработанный немецкими учёными, может позволить напрямую наблюдать электроны, связывающие атомы в молекулы.

Свет представляет собой колебание электромагнитного поля. В случае видимого спектра частоты этих колебаний составляют несколько сотен триллионов раз в секунду. Соответственно, одно колебание длится несколько тысяч аттосекунд. Этот период и является минимально возможной длительностью вспышки света на такой длине волны. Учёные из Института Квантовой Оптики Макса Планка в Мюнхене впервые смогли сгенерировать вспышки интенсивного лазерного света, в которых более половины всей энергии передаётся за один цикл волны.

Такое сильное колебание электромагнитного поля создаёт чрезвычайно большую силу, действующую на заряженные частицы – такие как электроны. Это позволяет контролировать их движение вокруг атомных ядер. В начале цикла волны сила достаточно велика, чтобы практически со стопроцентной вероятностью оторвать электроны от атомов. Оторванные электроны удаляются от ядер со скоростью несколько тысяч километров в секунду, однако успевают пройти всего лишь несколько нанометров прежде, чем электромагнитные силы, обращающие своё направление во второй половине периода колебания, вернут его назад в исходную точку. По окончании процесса электрон рекомбинирует с атомом, что создаёт импульс рентгеновского излучения.

В обычном лазерном импульсе, продолжающемся в течение многих периодов волны, процесс рекомбинации и рентгеновское излучение происходят постоянно. Однако, использование новых сверхкоротких импульсов позволяет произойти только одному акту рекомбинации, что приводит к испусканию отдельной короткой вспышки мягкого рентгеновского излучения. Таким образом, освещая большое число атомов (например, в газовой струе) импульсом лазерного излучения, можно добиться синхронного испускания сверхкороткого импульса рентгеновского излучения большим числом атомов коллективно и одновременно – в виде коллимированного направленного пучка, напоминающего лазерный луч.

Испускаемая вспышка обладает большой спектральной шириной (подобно белому видимому свету). Выделив определённую полосу частот из всего спектра, учёные смогли создать рентгеновские импульсы длительностью 170 аттосекунд. Исследователи считают, что используя ещё более высокочастотные компоненты спектра, возможно добиться продолжительности импульса менее 100 аттосекунд.

В настоящее время разрабатывается зеркало, способное отражать и фокусировать такие рентгеновские пучки. Когда такие технологии станут доступны, можно ожидать создание первых источников света с длительностью импульса менее 100 аттосекунд. Они позволят учёным делать «моментальные фотографии» электронов в молекулах. Это даст возможность углубить понимание структуры молекул, транспортных механизмов в электронике, механизмов работы биологических макромолекул и многих других важнейших аспектов физики, химии и биологии.

Василий Артюхов