Физики SLAC зафиксировали рекордные импульсы жесткого рентгеновского излучения длительностью менее 400 аттосекунд

MENLO PARK, Calif. — Физики, работающие на установке Linac Coherent Light Source в SLAC National Accelerator Laboratory в Калифорнии, сгенерировали и измерили самые короткие высокоэнергетические рентгеновские импульсы за всю историю наблюдений на рентгеновских лазерах на свободных электронах, достигнув длительности менее 400 аттосекунд. Это измерение устанавливает новый эксплуатационный порог для установок на базе лазеров на свободных электронах по всему миру, сжимая длительность высокоэнергетических фотонных вспышек до масштаба, способного фиксировать самые быстрые электронные процессы в веществе.

## Key facts

- Физики из Linac Coherent Light Source (LCLS) зафиксировали импульсы жесткого рентгеновского излучения длительностью менее 400 аттосекунд, что стало наименьшей длительностью импульса, когда-либо зарегистрированной на рентгеновском лазере на свободных электронах (XFEL). - Одна аттосекунда представляет собой одну квинтиллионную долю секунды ($10^{-18}$ секунды) — временной масштаб, определяющий движение электронов на внутренних оболочках атомов и молекул. - Достижение связано с жестким рентгеновским излучением — высокоэнергетическими фотонами с короткой длиной волны, способными проникать в плотные материалы и разрешать пространственные структуры атомного масштаба. - Эксперименты проводились в SLAC National Accelerator Laboratory в Menlo Park, California — на объекте, финансируемом United States Department of Energy и управляемом Stanford University. - Этот рубеж развивает методы прогрессивного сжатия импульсов, разработанные на мировых установках лазеров на свободных электронах для преодоления экспериментальных барьеров фемтосекундного масштаба.

## What happened

Согласно репортажу научного журналиста Mrigakshi Dixit, экспериментальные группы, работающие на Linac Coherent Light Source (LCLS), успешно синтезировали и напрямую охарактеризовали импульсы жесткого рентгеновского излучения длительностью менее 400 аттосекунд. Жесткое рентгеновское излучение оперирует энергиями фотонов, обычно превышающими от 5 до 10 килоэлектронвольт, и характеризуется длинами волн ангстремного масштаба, которые соответствуют межатомным расстояниям в химических решетках.

В рентгеновском лазере на свободных электронах вспышки света возникают за счет ускорения сгустков электронов до релятивистских скоростей — близких к скорости света — в линейном ускорителе частиц километрового масштаба. Затем эти ускоренные электронные пакеты направляются через ондуляторы — периодические массивы чередующихся постоянных магнитов. Проходя через эту магнитную структуру, электроны колеблются по волнообразной траектории, испуская синхротронное излучение. В ходе процесса, называемого self-amplified spontaneous emission (SASE), испускаемый свет оказывает обратное воздействие на электронный сгусток, группируя электроны в крошечные микросгустки, разделенные расстоянием, равным длине волны рентгеновского излучения. Такая группировка приводит к экспоненциальному усилению излучения в чрезвычайно яркий когерентный лазерный импульс.

Исторически стандартные режимы SASE обеспечивали импульсы длительностью в несколько десятков фемтосекунд (одна фемтосекунда равна 1000 аттосекунд). Чтобы выйти в аттосекундный диапазон, физики ускорителей применяют специализированные методы профилирования электронного пучка, такие как использование мощных оптических лазеров для модуляции локализованного среза электронного сгустка, наряду со щелевыми магнитными шиканами, отсекающими все, кроме узкой части микросгруппированного заряда.

Генерация аттосекундной вспышки жесткого рентгеновского излучения — лишь половина инженерной задачи; ее измерение представляет собой столь же серьезное техническое препятствие. Обычные фотодетекторы работают в наносекундном или пикосекундном масштабах и не способны разрешать события, разделенные квинтиллионными долями секунды. Чтобы подтвердить рубеж менее 400 аттосекунд, исследовательской группе пришлось применить методы сверхбыстрой диагностики — как правило, использующие angular streaking или электронные спектрометры высокого разрешения для реконструкции временного профиля рентгеновского излучения по вторичным фотоэлектронам, выбитым из газа-мишени.

## Why it matters

Способность генерировать импульсы жесткого рентгеновского излучения длительностью менее 400 аттосекунд устраняет давний физический компромисс между пространственным и временным разрешением в молекулярной динамике. В природе движения атомных ядер происходят преимущественно в фемтосекундном масштабе времени, соответствующем колебаниям химических связей и молекулярным перестройкам. Однако электроны, обеспечивающие эти связи, движутся значительно быстрее — в аттосекундном временном масштабе. Например, электрону на орбите вокруг ядра атома водорода требуется около 151 аттосекунды для совершения одного полного оборота.

До недавнего времени аттосекундная наука была в основном ограничена настольными лазерными системами генерации высоких гармоник (high-harmonic generation, HHG). Хотя системы HHG регулярно генерируют аттосекундные импульсы, они создают преимущественно фотоны низкоэнергетического экстремального ультрафиолета (EUV) или мягкого рентгеновского диапазона. Этим менее энергичным фотонам не хватает глубины проникновения и длин волн ангстремного масштаба, необходимых для разрешения индивидуальных положений атомов внутри сложных молекул или твердотельных материалов.

Жесткие рентгеновские лучи, генерируемые XFEL, решают эту проблему, сочетая субатомное пространственное разрешение с аттосекундной длительностью. Получение импульсов короче 400 аттосекунд позволяет структурным биологам, физикам твердого тела и материаловедам разрабатывать эксперименты типа «накачка — зондирование» (pump-probe), отслеживающие миграцию электронов внутренних оболочек в режиме реального времени. В таких экспериментах начальный лазерный импульс инициирует химическую реакцию или электронный переход, а синхронизированный импульс жесткого рентгеновского излучения длительностью менее 400 аттосекунд делает снимок результирующей конфигурации зарядов до того, как окружающие атомные ядра успеют сместиться.

Эта возможность имеет прямое значение для изучения радиационных повреждений, характеристик полупроводников, квантовых материалов и искусственного фотосинтеза. Понимание того, как заряд перераспределяется по молекулам за доли фемтосекунды, имеет фундаментальное значение для проектирования более эффективных солнечных элементов, предотвращения структурной деградации электроники при воздействии радиации и управления каталитическими химическими реакциями на базовом уровне.

## The background

Стремление к получению более коротких световых импульсов определяло развитие сверхбыстрой оптики на протяжении более пяти десятилетий — от пикосекундных рубиновых лазеров в 1960-х годах до фемтосекундных титан-сапфировых лазеров в 1980-х и 1990-х годах. Аттосекундный рубеж официально открылся на рубеже XXI века, когда исследователи продемонстрировали, что фокусировка интенсивных инфракрасных лазерных импульсов в благородные газы может порождать вспышки излучения высоких гармоник длительностью в сотни аттосекунд. Эта новаторская работа привела к присуждению Нобелевской премии по физике 2023 года ученым Pierre Agostini, Ferenc Krausz и Anne L’Huillier за разработку экспериментальных методов генерации аттосекундных импульсов для исследования динамики электронов.

Параллельно с развитием настольных лазеров международное сообщество физиков ускорителей создавало крупномасштабные источники света. В 2009 году SLAC запустил оригинальный Linac Coherent Light Source, преобразовав километровый участок своего исторического трехкилометрового радиочастотного линейного ускорителя в первый в мире лазер на свободных электронах жесткого рентгеновского диапазона. Установка генерировала рентгеновские импульсы в миллиард раз ярче, чем синхротроны на накопительных кольцах, однако начальная длительность импульсов составляла десятки фемтосекунд.

За последнее десятилетие были запущены и другие крупные установки для работы в жестком рентгеновском диапазоне, в том числе SACLA в Японии (2011), PAL-XFEL в Южной Корее (2016), European XFEL в Гамбурге, Германия (2017), и SwissFEL в Швейцарии (2017). На этих объектах исследователи разрабатывали специализированные режимы работы, такие как проект X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse (XLEAP) в SLAC, направленный именно на сокращение длительности импульсов с десятков фемтосекунд до сотен аттосекунд.

В последние годы SLAC завершил масштабную модернизацию инфраструктуры, известную как LCLS-II, внедрив сверхпроводящий радиочастотный линейный ускоритель, способный генерировать до одного миллиона импульсов в секунду по сравнению со 120 импульсами в секунду на исходной установке. Эти непрерывные инвестиции в архитектуру ускорителя создали эксплуатационную стабильность, необходимую для изоляции, управления и точного измерения пучков жесткого рентгеновского излучения суб-400-аттосекундной длительности.

## Reaction

В то время как репортаж Mrigakshi Dixit описывает эмпирическое достижение, официальная реакция институциональных структур и широкого научного сообщества сформируется по мере выхода рецензируемых публикаций с подробным описанием точных параметров ускорителя. Office of Basic Energy Sciences при Department of Energy, курирующий финансирование SLAC и аналогичных пользовательских синхротронных центров, обычно включает подобные контрольные показатели в будущие дорожные карты развития установок.

Ожидается, что исследователи в области сверхбыстрой физики и химической динамики, подающие заявки на пользовательское время в SLAC, оценят, насколько легко данный режим работы можно интегрировать в стандартные экспериментальные станции. Ведущие научные конференции, включая встречи, организуемые American Physical Society и Optical Society (Optica), традиционно выступают площадками, где экспертное сообщество тщательно анализирует методологию измерений, пороговые значения сигнал/шум и метрики пространственной когерентности, лежащие в основе заявлений о рекордных импульсах.

## What we don't know yet

Несколько ключевых эксплуатационных параметров не были указаны в исходном кратком отчете. Во-первых, точная длительность импульса — помимо общей классификации «менее 400 аттосекунд» — не названа, как не названа и экспериментальная погрешность методики временной диагностики. Определение того, составляла ли длительность импульсов стабильно около 350 аттосекунд или же приближалась к 100 аттосекундам, имеет решающее значение для исследователей, планирующих эксперименты по конкретным временным масштабам субатомного распада.

Во-вторых, не были детализированы энергия импульса и плотность потока фотонов на вспышку. В физике лазеров на свободных электронах сжатие электронного сгустка для сокращения длительности импульса часто снижает общее количество фотонов за один выстрел. Если энергия импульса падает слишком сильно, получение четких дифракционных картин или спектроскопических сигналов от разбавленных образцов становится статистически затруднительным.

В-третьих, остается неподтвержденным, является ли этот режим суб-400-аттосекундных импульсов в настоящее время достаточно стабильным, чтобы предлагаться в качестве стандартной рабочей конфигурации для сторонних исследователей на LCLS, или же он пока представляет собой сложную демонстрационную разработку, требующую ручной настройки специалистами по ускорителям.

## What to watch

В дальнейшем жизнеспособность этого технологического прорыва в условиях реальной эксплуатации определят несколько ключевых этапов. Ближайшим шагом станет публикация подробной рецензируемой статьи в авторитетном физическом журнале, где будут описаны конфигурации ондуляторов, показатели сжатия электронного пучка и алгоритмы реконструкции, использованные для подтверждения длительности импульса.

Внимание наблюдателей также будет приковано к предстоящим циклам приема заявок на пучковое время, публикуемым SLAC. Если установка включит возможность работы с жестким рентгеновским излучением длительностью менее 400 аттосекунд в свой конкурс заявок, это станет сигналом того, что инженеры объекта решили проблемы стабильности пучка и воспроизводимости от выстрела к выстрелу, которые часто осложняют аттосекундные эксперименты.

Кроме того, пристального внимания потребует реакция конкурирующих международных центров. Такие установки, как European XFEL в Германии и SwissFEL в Швейцарии, располагают специализированными исследовательскими группами по формированию сверхбыстрых импульсов. То, насколько быстро коллеги из других институтов повторят или превзойдут порог менее 400 аттосекунд в области жесткого рентгеновского излучения, определит, как скоро этот уровень временного разрешения станет общепринятым стандартом в молекулярных и материаловедческих исследованиях.

Данный материал основан на сообщении Mrigakshi Dixit.