Лазер LCLS создал жёсткие рентгеновские импульсы длиной от 100 аттосекунд

Исследователи Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стэнфорд, США) измерили кратчайшие жёсткие рентгеновские импульсы, когда-либо зафиксированные на рентгеновском лазере на свободных электронах (РЛСЭ). На лазере LCLS (Linac Coherent Light Source) были получены импульсы длительностью от 100 до 400 аттосекунд при энергии фотонов около 9 кэВ (жёсткий рентген). Работа опубликована в Nature Photonics (DOI: 10.1038/s41566-026-02026-7). Ведущий автор — Итиро Иноуэ (Токийский университет), соавтор — профессор SLAC Агостино Маринелли.

Масштаб рекорда: что такое аттосекунда

Аттосекунда — одна квинтиллионная доля секунды (10⁻¹⁸ с). За 100 аттосекунд свет проходит расстояние примерно в 30 нанометров — меньше диаметра большинства вирусов. Для сравнения: одна фемтосекунда равна тысяче аттосекунд. В мягком рентгеновском диапазоне (ниже 5 кэВ) аттосекундные импульсы были продемонстрированы командой Маринелли ещё в 2019 году. Новая работа подтверждает возможность получения таких импульсов в диапазоне жёстких рентгеновских квантов — значительно более проникающих и информативных.

Принципиальная трудность состояла не в генерации, а в измерении импульсов: команда создавала их уже несколько лет, но не имела диагностики, способной подтвердить их длительность. Прорыв обеспечил метод, предложенный Иноуэ, — измерение через усиленное спонтанное излучение (ASE).

Как измерили импульс

Пучок разделялся на две части. Одна направлялась на спектрометр для измерения энергии и формы спектра. Вторая фокусировалась в пятно размером 150 нанометров на медной фольге — и вызывала её рентгеновскую флуоресценцию вперёд. Эта флуоресценция несёт в себе информацию о форме, энергии и длительности исходного импульса. Совмещение обоих каналов позволило восстановить профиль импульса с аттосекундным разрешением.

Почему это важно для науки

Сверхкороткие жёсткие рентгеновские импульсы открывают качественно новые возможности:

• физика плазмы: зондирование плотных плазм до того, как их динамика успевает размыть снимок — Сэм Винко (Оксфорд) сообщил о первом измерении состояний с возбуждением электронов внутренних атомных оболочек;
• атомная структура: проникновение во внутренние электронные оболочки атомов для изучения быстрых электронных переходов;
• снижение рентгеновского повреждения образца: импульс «снимает» электронное состояние прежде чем успевает нанести радиационный ущерб;
• наноизображение: Тайс Горховер (Гамбург) планирует использовать импульсы для повышения чёткости изображений в рентгеновском поглощении и рассеянии.

Читайте также: Физики изменили возбуждение гелия с помощью фазы ультрафиолетового света.

Установка LCLS финансируется Министерством энергетики США и является открытым пользовательским объектом.