Принцип работы метода накачки-зондирования. На изучаемый объект посылаются два лазерных импульса, один из которых специально задерживается на известное время Δt. Первый импульс — он называется импульсом накачки — запускает в объекте некоторый колебательный процесс. Второй импульс — импульс зондирования — приходит позже и как бы считывает состояние объекта спустя время Δt. Повторяя этот эксперимент много раз с разными Δt, можно восстановить то, как колебательный процесс разворачивается во времени Мы разобрались с тем, какие явления происходят на аттосекундных масштабах. Теперь надо понять, как их экспериментально изучать. Мы не можем просто взять атом и что-то в нём померять — в свободном, невозмущенном состоянии в атоме ничего реально не движется, электронная плотность никуда не перетекает. Мы должны как-то подействовать на атом, дестабилизировать электронные оболочки, заставить их колыхаться — и вот тогда у нас появляется шанс измерить период колебаний и через него разобраться с внутренними процессами. А если мы хотим добраться до самых внутренних электронов, мы должны буквально взрезать атом, «прооперировать его внутренности».
В атомной физике это делается с помощью сверхкоротких лазерных импульсов, а сам метод называется методом накачки и зондирования. Мы приготавливаем два очень коротких световых импульса и «стреляем» ими по мишени. В нашем случае мишенью служат отдельные атомы, например в виде разреженного облачка холодного газа. Эти два импульса попадают в мишень не одновременно, а с задержкой, причем эта задержка настраиваемая. Первый, сильный, импульс порождает в атоме какое-то колебание, запускает нестационарный процесс. Электронный коллектив в атоме начинает колебаться — и тут же приходит второй, зондирующий импульс. Этот импульс как бы «ощупывает» атом в заданный момент времени после начала колебания и улетает прочь, унося в себе информацию о текущем состоянии атома.
Пример использования метода накачки-зондирования: импульс накачки запускает в молекуле некоторое колебание, а импульс зондирования, пытаясь вызвать диссоциацию молекулы, отслеживает ее состояние спустя четко отмеренное время. Изображение с сайта cchem.berkeley.edu
Однократный выстрел дает мало информации. Но если раз за разом повторять эксперимент с разными значениями задержки Δt, а потом соединить все эти данные — можно увидеть то, как разворачивается во времени отклик электронного облака в ответ на внешнее воздействие. Это всё можно сравнить с теоретическими расчетами и узнать, правильно ли теория всё учитывает. Именно так физики и восстанавливают внутреннюю жизнь атома.
В этом методе, который всем хорош, есть одна трудность, характерная для аттосекундного диапазона: обычный оптический лазер для этих задач не годится. Период электромагнитного колебания в световой волне — около фемтосекунды. Сделать из него лазерный импульс короче одного периода никак не получится. Поэтому для изучения аттофизики приходится брать более высокочастотное излучение — ультрафиолет или мягкий рентген. Впрочем, получение сверхкоротких ультрафиолетовых или рентгеновских импульсов с длительностью в аттосекундном диапазоне — сама по себе сложнейшая задача; физики смогли ее решить лишь в 2000-е годы. Подробнее об этой области исследования читайте в популярной статье Первые шаги аттофизики. Долгое время не удавалось получать лазерные импульсы короче нескольких фемтосекунд, и лишь в начале 2000-х годов фемтосекундный барьер был преодолен. Изображение с сайта osa-opn.org
Электроны на службе аттофизики Самые внутренние электроны