Первые шаги аттофизики (стр. 2 из 2)

Излучение с достаточно высокой энергией может выбить электрон с внутренних электронных оболочек атома (рис. 3a, процесс a). В этом случае говорят, что на внутренней электронной оболочке образуется вакансия (показана на рис.3a фиолетовым кружком). Такое состояние неустойчиво и электронная подсистема стремиться минимизировать энергию за счет заполнения вакансии электроном с одного из вышележащих уровней энергии атома. Выделяющаяся при переходе на нижележащий уровень энергия может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения либо передана третьему электрону, который покидает атом (процессы b и c на рис.3a, электроны помечены зеленым). Первый процесс более вероятен при энергии связи электрона Wh, превышающей 1 кэВ, второй - для легких атомов и энергии связи электрона, не превышающей 1 кэВ.

Второй процесс называется эффектом Оже, а электрон, которому был передан избыток энергии, - оже-электроном. Энергия оже-электрона не зависит от энергии возбуждающего излучения, а определяется структурой энергетических уровней атома (в обозначениях рис.3a Wkin = Wh - W1 - W2). Вследствие конечности времени жизни атома в возбужденном состоянии существует некоторый разброс энергий оже-электронов (схематически показано на рис. 3a). Регистрируя энергетический спектр оже-электронов, можно, соответственно, получать информацию о временах жизни вакансий на внутренних электронных оболочках. Конечно, подобным образом можно получить некоторую информацию о динамике электронных процессов на внутренних оболочках атомов только в простейших случаях. Непосредственные временные измерения способны дать более богатую информацию и, в принципе, обладают большей универсальностью. Но необходимым условием для временных измерений является малость длительности ионизующего импульса по сравнению с характерным временем релаксации, поэтому, повторимся, для исследования динамики электронных процессов на внутренних оболочках необходимо использовать аттосекундные импульсы.

Аттофизика делает пока самые первые шаги, поэтому неудивительно, что для начала решили "попрактиковаться" на достаточно хорошо изученной другими методами системе. В недавно вышедшей работе ученых из Технического университета Вены (Австрия) и Билефельдского унивеситета (Германия) [4] с помощью аттосекундных импульсов было проведено исследование динамики релаксации электронов внутренних электронных оболочек атома криптона. А именно, ученые использовали аттосекундную спектроскопию для определения времени жизни вакансии на M-оболочке атома криптона. Попытаемся на примере пионерской работы понять в общих чертах принципы работы аттосекундной спектроскопии. Схема эксперимента показана на рис. 4. Атомы криптона, вылетающие из форсунки, находились в фокусе двойного зеркала, позволяющего фокурировать в одном месте излучение ближнего инфракрасного диапазона (за счет внешнего металлического слоя) и мягкого рентгеновского излучения (за счет многослойного Mo/Si рентгеновского зеркала). Ионизация атомов криптона происходила с помощью импульса рентгеновского излучения (с энергией 97 эВ) длительностью порядка 900 ас. Для наблюдения за динамикой процесса релаксации электронной системы вслед за аттосекундным приходил тестовый фемтосекундный импульс (длительность менее 7 фс, энергия фотонов порядка 1.6 эВ), а длительность промежутка между приходом аттосекундного и фемтосекундного импульсов (время задержки D t) варьировалась.

Рис.4. a - изменение импульса электрона под влиянием электрического поля фемтосекундного импульса; b - cхема эксперимента.

Выбитый из атома оже-электрон подвергается воздействию достаточно мощного электрического поля фемтосекундного импульса, в результате чего импульс электрона меняется со временем (см. рис. 4a). Итоговое изменение импульса (а, следовательно, и энергии) электрона D р зависит от времени воздействия светового поля на электрон, т.е. и от момента, когда электрон "вылетел" из атома, и от времени задержки D t(см. рис. 4b). Соответственно, энергетический спектр электронов, регистрируемый с помощью время-пролетных измерений (по времени пролета от места генерации до детектора) зависит от D t. Имея набор энергетических спектров, полученных при различных временах задержки, можно пытаться восстановить временную картину генерации оже-электронов (см. рис. 3b). Причем, поскольку импульс электрона меняется от среднего до максимального значения за четверть оптического периода фемтосекундного импульса, временное разрешение методики в принципе может достигать десятых долей оптического периода.

В проведенных экспериментах с помощью подобной "двухцветовой" (с использованием излучения мягкого рентгеновского и ближнего инфракрасного диапазона) методики удалось определить время жизни вакансии на M-оболочке атома криптона t H - порядка 8 фс, что совпадает с результатами, полученными другими методами. Хотя первый шаг аттофизики был удачен, но для того, чтобы двигаться вперед, теоретикам потребуются немало трудиться: реальная картина эволюции многоэлектронной системы под влиянием мощных полей может быть достаточно сложна.

В заключение позволим себе немного пофантазировать. Если сегодня становится реальностью исследование динамики электронов внутренних оболочек, каких очередных прорывных достижений можно ожидать если не "завтра", то хотя бы "послезавтра" - по прошествии нескольких десятилетий? Хочется верить, что за два - три десятилетия удастся "спуститься вниз" еще на несколько порядков и научиться генерировать сверхультракороткие импульсы гамма-излучения, которые позволят ученым исследовать динамику ядерных процессов...

Списоклитературы

1. Thomas Brabec and Ferenc Krausz. Rev.Mod.Phys., v.72, 545 (2000).

2. Ivan P.Christov, Margaret M.Murane, and Henry C.Kapteyn. Phys.Rev.Lett., v.78, 1251 (1997).

3. M.Drescher, M.Hentschel, R.Kienberger et al., Science v.291 , 1923 (2001).

4. M.Drescher, M.Hentschel, R.Kienberger et al. Nature, v.419, 803 (2002).