» » Новый инструмент для спектроскопии в экстремальном ультрафиолете бьет рекорды

Новый инструмент для спектроскопии в экстремальном ультрафиолете бьет рекорды


Новый инструмент для спектроскопии в экстремальном ультрафиолете бьет рекорды

Рис. 1. В далеком (VUV) и экстремальном (XUV) ультрафиолете есть много научных задач, опирающихся на прецизионные спектроскопические измерения. До сих пор подходящих установок не существовало — точность спектрометрических исследований в XUV-области была во много миллионов раз хуже, чем в оптике. Новое исследование единым скачком преодолевает эту пропасть. Рисунок с сайта jila.colorado.edu


Сверхточные спектроскопические исследования — одна из опор всей экспериментальной физики — были до сих пор очень затруднительны в далеком и экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Погрешность измерения частот составляла мегагерцы (в миллионы раз хуже того, что достижимо в видимой части спектра). Новый спектроскопический инструмент, созданный группой из Колорадского университета, производит настоящую сенсацию: его частота держится в пределах 0,1 Гц. Этот прибор не только открывает возможности для революционных спектроскопических измерений, но и представляет собой совершенно новый инструмент для аттофизики — науки, изучающей поведение электронов в атоме на аттосекундном масштабе времен.


Прецизионная спектроскопия и ее трудности

Без точных измерительных приборов физика была бы бессильна. Многие физические явления совсем не бросаются в глаза, а проявляются лишь в виде очень слабых эффектов в поведении той или иной системы. Такие эффекты были обнаружены и изучены только благодаря сверхчувствительным методам наблюдения, которые сейчас есть в арсенале физиков. Роль «королевы» среди них играет спектроскопия — аккуратное измерение частоты электромагнитного излучения, которое отвечает разнице между уровнями энергии в атомах, молекулах, ядрах. Эта разница чувствительна к многочисленным внешним и внутренним эффектам, благодаря чему сверхточное измерение частот позволяет узнать, в каких условиях находятся атомы или какие внутри них действуют физические явления. Применения спектроскопических измерений бесчисленны — от астрофизических открытий до совершенно земных явлений и промышленных процессов и далее вплоть до ядерной физики и проверки фундаментальных физических законов.

Чтобы максимально полно использовать все возможности, которые предоставляет спектроскопия, нужно уметь делать две ключевые вещи: (1) генерировать свет строго определенной частоты и (2) очень точно измерять эту самую частоту.

Решение первой задачи затрудняет один важный фундаментальный закон природы. Напомним, что частота волны f связана с ее периодом колебания T простым соотношением: f = 1/T. Скажем, частота 1 ГГц = 109 Гц отвечает периоду 10–9 с = 1 нс. Так вот, строго говоря, волна с абсолютно фиксированной частотой обязана длиться бесконечно долго. Если же волна излучилась в течение какого-то ограниченного времени ?t, то она не может обладать фиксированной частотой — ее основная несущая частота будет размазана на величину ?f = 1/?t. Эту связь называют соотношением неопределенностей для времени и частоты: чем быстрее излучается волна (то есть чем меньше неопределенность момента излучения), тем больше разброс по частоте. Например, частота колебаний в видимом свете составляет порядка 1015 Гц; соответствующий ей период колебания равен 1 фемтосекунде. Если какое-то возбужденное состояние атома живет, скажем, одну наносекунду и возвращается в основное состояние, испуская при этом фотон, то, значит, частота излученного фотона определена не абсолютно строго, а имеет размазку порядка 1 ГГц, что составляет одну миллионную от самой частоты.

Те же оценки применимы и к источникам света. Если мы хотим с помощью спектроскопических измерений почувствовать сдвиг частоты перехода между двумя уровнями энергии всего на 1 Гц, то нам нужно добиться, чтобы частота лазерного излучения имела относительный разброс не больше 10–15. В силу соотношения неопределенностей лазер должен излучать такой свет не импульсно, а непрерывно в течение по крайней мере секунды. Подчеркнем, эта секунда относится не просто к усредненному свечению лазера (светить долго может какой угодно источник!), а к каждому испущенному фотону. Каждый фотон должен не излучаться одномоментно, а как бы «вытекать» из лазера со скоростью света как минимум в течение одной секунды. Если такую длительную стабильность не обеспечить — например, если лазер мелко дрожит из-за обычных вибраций пола лаборатории или же если внутренняя среда лазера неспособна так долго поддерживать когерентность свечения, — то тогда аккуратно настроиться на нужную частоту не получится.

Что касается второй задачи — измерения частоты, — то тут трудность несколько иного сорта. Пока требуемая точность невысока, частоту можно просто найти, измерив длину волны и поделив на нее скорость света: f = c/?. Но для измерений с высокой точностью этот метод уже не годится. С другой стороны, для низкочастотного радиоизлучения (скажем, мегагерцы) частоту можно измерить напрямую. Современная электроника обладает достаточным быстродействием и способна просто пересчитать один за другим каждый пик и спад радиоволны в течение сколь угодно длительного времени. Поделив сосчитанное количество циклов волны на всё время измерения, мы получим частоту. Проблема, однако, в том, что таким прямым способом удается измерять частоты вплоть до десятков ГГц (то есть порядка 1010 Гц). А частоты световых колебаний лежат на пять порядков выше, и никакая электроника не способна реагировать так быстро. Одно время в физике была даже забавная ситуация, когда уже существовали сверхстабильные источники лазерного света, но физики не могли определить с нужной точностью, какую же они выдавали частоту излучения!

Пропасть в пять порядков между микроволновым излучением, частоту которого можно измерять напрямую, и оптическим диапазоном, в котором обычно выполняются спектроскопические измерения, физики научились худо-бедно преодолевать в 80-х годах. Делалось это очень сложным способом. Несколько очень стабильных источников излучения в разных диапазонах частот комбинировались друг с другом так, чтобы один источник стабилизировал другой с помощью кратного повышения частоты. Такие цепочки были очень сложны в создании и настройке и могли быть реализованы только в нескольких лабораториях мира.

Революцию на рубеже веков произвел метод «оптической гребенки», разработанный Джоном Холлом и Теодором Хэншом, за который они получили половину Нобелевской премии по физике за 2005 год (см. подробное описание в популярной статье в журнале «Природа»). Суть, вкратце, такова. Если взять импульсный лазер, который выстрелит одним сверхкоротким импульсом света, то его частота — в силу соотношения неопределенностей — будет размазана в широком диапазоне. Но тот же лазер можно заставить выстреливать такими сверхкороткими импульсами постоянно, через строго равные промежутки времени (рис. 2, вверху). Темп выстреливания импульсов при этом задает микроволновой источник с точно известной частотой frep. Такую установку уже нетрудно реализовать даже в небольшой лаборатории. Спектр получившегося излучения — не одного импульса, а всего «паровоза» из многих импульсов — представляет собой гребенку из отдельных очень узких линий излучения (рис. 2, внизу). Эти тонкие линии излучения идут плотным строем почти от нуля и до тех частот, на которых обычно излучает лазер. Расстояние между линиями строго фиксировано и равно частоте повторения импульсов frep. Поэтому если удастся определить частоту одной любой линии излучения, то все остальные частоты получаются простым добавлением frep — пусть даже их придется добавлять многие тысячи раз.


Новый инструмент для спектроскопии в экстремальном ультрафиолете бьет рекорды

Рис. 2. Лазерное излучение, представляющее собой длинную череду узких и равноотстоящих друг от друга световых импульсов (вверху), имеет спектральное распределение в виде оптической частотной гребенки, состоящей из узких линий излучения, разделенных одинаковыми частотными интервалами, равными частоте чередования импульсов. Такая гребенка позволяет перекинуть мостик между микроволновым и оптическим диапазонами и, в конечном счете, с высокой точностью измерить частоту изучаемого оптического излучения


Направляя свет от источника в спектрограф, физики находят ближайшую к нему линию гребенки, подсчитывают ее порядковый номер, а также измеряют небольшое остаточное отличие от нее — и таким образом измеряют частоту изучаемой линии излучения или поглощения. Поскольку линии в этой гребенке очень узкие, погрешность измерения частоты получается очень маленькой. На рис. 3 показан пример использования этой методики в астрономических измерениях. Благодаря всем этим достижениям, оптическая спектроскопия с точностью порядка 10–15 и лучше стала уже вполне достижима.


Новый инструмент для спектроскопии в экстремальном ультрафиолете бьет рекорды

Рис. 3. Пример использования частотной гребенки в астрономических исследованиях. Гребенка (череда ярких тонких линий) служит опорной шкалой, с которой можно сравнивать изучаемый спектр, представленный здесь темными вертикальными линиями, и тем самым с высокой точностью измерять их частоту. Изображение с сайта astronomy.swin.edu.au


Экстремальный ультрафиолет

Польза от спектроскопических измерений не ограничивается оптическим диапазоном. Например, многозарядные ионы обладают возбужденными уровнями энергии в десятки электронвольт и выше, а значит, для их спектроскопических измерений требуется не видимый свет, а экстремальный ультрафиолет (XUV, длина волны меньше 120 нм) или даже мягкий рентген (рис. 1). Поэтому возникает совершенно естественное желание повторить все описанные выше достижения, включая оптическую гребенку, но только уже в далеком или экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Такой инструмент стал бы шикарным подарком физикам, изучающим спектроскопию в сильном поле вблизи ядра, сверхбыстрые электронные процессы внутри атома или даже уровни энергии в некоторых ядрах.

Казалось бы, от видимого света до экстремального ультрафиолета — рукой подать; их частоты отличаются всего в несколько раз. Но проблема в том, что источники света тут уже другие, со своими характеристиками, весьма далекими от оптических аналогов. В частности, они обладают очень малым временем когерентности, а значит, неприемлемо большим разбросом частот. Впрочем, оговоримся: этот разброс большой по сравнению с обсуждаемыми в этой новости числами; сам по себе он может быть порядка 10–4, а то и лучше, так что для практических применений такое излучение вполне можно называть монохроматическим. Но для задач прецизионной спектроскопии все эти источники, увы, не годятся.

Если излучить XUV-свет с нужной когерентностью не удается напрямую, можно пойти в обход. Можно взять обычный оптический импульс, а затем «перебросить» его в ультрафиолетовый диапазон многократным повышением частоты. Этого можно добиться с помощью нелинейных оптических эффектов, но не в вакууме, а в среде, например в газовой ячейке. Электромагнитная волна воздействует на вещество периодическим образом, но если отклик среды не пропорционален этой силе, на выходе будет идти излучение не только на исходной, но и на тройной, пятикратной и более высоких частотах. Свежий обзор этого метода можно найти в прошлогоднем томе журнала УФН.

Таким способом XUV-излучение действительно можно получить. Однако на пути к ультрафиолетовой гребенке возникает новая трудность. Нелинейные эффекты становятся существенными только при достаточно мощном световом импульсе. Но мощные световые импульсы трудно повторять с нужной частотой — лазер может их выстреливать тысячи раз в секунду, но никак не сотни миллионов, как это требуется для гребенки. С нужной частотой можно выстреливать слабыми импульсами, но они сами по себе будут недостаточны для генерирования высших гармоник.

Справиться с этой проблемой помогла специальная оптическая схема, разработанная в 2005 году исследовательской группой того же Теодора Хэнша и группой Цзюня Е, ученика Холла. В этой схеме относительно слабый лазерный луч не проходит сквозь газовую камеру однократно, а сначала запускается в резонатор — систему зеркал, замыкающих луч сам на себя. Циркулируя внутри резонатора, световые импульсы накладываются друг на друга, тем самым резко усиливая эффект одного импульса (рис. 4). В результате даже небольшой мощности исходного лазера хватает для того, чтобы вызвать нелинейные эффекты в фокусе световой волны (куда обычно и запускают газовую струю) и достичь генерации высших гармоник.


Новый инструмент для спектроскопии в экстремальном ультрафиолете бьет рекорды

Рис. 4. Схема эксперимента по созданию оптической гребенки в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Свет инфракрасного лазера, состоящий из череды узких импульсов, попадает в резонатор, образованный несколькими зеркалами. Циркулируя в этом резонаторе, отдельные импульсы накладываются друг на друга, повышая совокупную мощность света. Сквозь фокус лазерного луча пропускается газовая струя, которая служит нелинейной средой, в которой происходит генерация высоких гармоник — так в резонаторе возникает XUV-излучение. С помощью специальной пластинки оно отделяется от инфракрасного лазерного света. Разные гармоники (то есть разные частоты, кратные исходной) расходятся от пластинки веером и могут быть зарегистрированы и изучены по отдельности (вставка внизу, на которой подписаны номер гармоники и длина волны излучения). Каждый из этих лучей тоже представляет собой спектральную гребенку, которая может быть использована для спектроскопических исследований в XUV-диапазоне, как схематично показано на вставке справа. Схема с сайта jila.colorado.edu


В своей работе 2012 года группа Цзюня Е продемонстрировала XUV-излучение вплоть до 23-кратной частоты от исходного инфракрасного лазера. Самые высокие частоты были, конечно, слабоваты, но на 13-кратной частоте, равной 3,66·1015 Гц (длина волны 82 нм), авторы провели эксперименты по спектроскопии подходящей линии перехода в атоме и измерили ее с погрешностью 3 МГц. Полученная точность в одну миллиардную — это, конечно, в миллионы раз хуже того, что достигнуто в оптике, но для XUV-диапазона это стало беспрецедентным результатом.

И вот сейчас та же исследовательская группа сообщает о новом рекорде. В их статье, появившейся на днях в архиве е-принтов, сообщается, что в усовершенствованной установке время когерентности уже составляет несколько секунд. Это значит, что теперь им доступны спектроскопические измерения в экстремальном ультрафиолете с погрешностью меньше 1 Гц. Фактически, они побили свой собственный рекорд в миллионы раз!

Такое кардинальное улучшение стало возможным благодаря ряду факторов. Прежде всего, хоть авторы и раньше подозревали, что в их установке 2012 года стабильность частоты была гораздо выше общей погрешности в 3 МГц, однако прямого подтверждения этого факта они тогда не предъявили. Сейчас же они разработали схему эксперимента, которая позволила напрямую в этом убедиться. Она основана на стандартном волновом эффекте, называемом биениями. Если две волны со слегка различающимися частотами накладываются друг на друга, то их суммарный эффект не постоянен, а плавно меняется во времени, причем меняется с частотой, равной разности частот двух волн. Волны то усиливают друг друга в данной точке, то компенсируют. Для звука такие биения можно даже различать ухом, а их электромагнитный аналог без труда регистрируется фотодатчиками.

Авторы статьи создали установку, в которой инфракрасный лазер запитывал не один, а два расположенных рядом резонатора. Единственное отличие между ними заключалось в том, что перед входом во второй резонатор инфракрасный луч дополнительно смещался по частоте на 1 МГц. В результате из двух резонаторов выходил XUV-свет с очень близкими, но слегка различающимися частотами. Далее эти два XUV-луча объединялись в один, и фотодатчик наблюдал биения на частоте, кратной мегагерцу.

Измерения показали, что биения действительно происходят, и более того — они более-менее стабильны. Без какой-либо дополнительной настройки спектр этих биений показал разброс частот не более сотен герц (рис. 5, слева) — что уже на четыре порядка лучше погрешности, указанной в 2012 году. Но и это не всё! Авторы обнаружили, что львиная доля этого разброса возникает из-за простой разбалансировки двух резонаторов относительно друг друга. Устранив эту разбалансировку, они умудрились еще на три порядка улучшить стабильность частоты (рис. 5, справа). В конце концов частоту биений удалось ужать до 60 мГц, что отвечает времени когерентности в 16 секунд. Это автоматически означает, что и само XUV-излучение в каждом из резонаторов тоже было когерентно в течение такого длительного времени и тоже обладает таким малым разбросом по частоте.


Новый инструмент для спектроскопии в экстремальном ультрафиолете бьет рекорды

Рис. 5. Спектральное распределение частот биения между двумя сверхстабильными источниками XUV-излучения: в первоначальном виде (слева) и после дополнительной стабилизации (справа). Рекордная по точности линия XUV-излучения имеет разброс менее 0,1 Гц — во многие миллионы раз лучше, чем то, что было получено ранее. Изображение из обсуждаемой статьи


Авторы статьи не ограничились одним лишь описанием установки, а сразу же продемонстрировали ее мощь для изучения поведения электронов на аттосекундных временных масштабах (1 ас = 10–18 с). Вообще говоря, аттофизика изучается уже свыше десятка лет. Стандартные измерительные инструменты здесь представляют собой симбиоз оптических устройств и приборов для регистрации вылетевших электронов. Авторы новой работы сообщают, что их установка позволяет изучить аттосекундную динамику совершенно иным способом, без выбивания и регистрации электронов. Они предлагают измерять сдвиг фазы XUV-излучения в зависимости от интенсивности света внутри резонатора и от номера гармоники. Их установка позволяет выполнять такие измерения с беспрецедентной точностью: оценки показали, что уже сейчас доступно для изучения поведение электронов на масштабе меньше 10 ас. Будущие усовершенствования позволят еще больше улучшить разрешающую способность и перейти уже к долям аттосекунды! Пару десятилетий назад, когда люди только-только преодолели фемтосекундный барьер, такие числа казались немыслимыми.

Источник: C. Benko et al. Extreme Ultraviolet Radiation With Coherence Time Beyond 1 s // е-принт arXiv:1404.3779 [physics.atom-ph].

См. также:
1) В. И. Манько, М. А. Губин, Н. Н. Колачевский. Лауреаты Нобелевской премии 2005 года по физике // Природа. № 1. 2006.
2) Нобелевские лекции Дж. Л. Холла и Т. В. Хэнша // УФН 176. 1353 (2006).
3) Н. Шефер. Цезиевый эталон частоты (времени) // Квант. № 12. 1980.

Игорь Иванов


03 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Перенаправление упругих колебаний почвы — шаг к сейсмической экранировке зданий

Теоретические расчеты и проведенные по их результатам реальные эксперименты продемонстрировали, что экранировка участков земной поверхности от сейсмических волн и вибрационных воздействий

Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона

В атомной физике несколько лет сохраняется серьезная проблема: радиус протона, полученный в новаторском эксперименте с мюонным водородом, сильно расходится с результатами традиционных измерений и

Созданы «кристаллы в дискретном времени»

«Кристалл во времени» — это необычная физическая концепция, теоретически предложенная несколько лет назад как иллюстрация спонтанного нарушения инвариантности законов физики от времени. Прямо в

Открыт новый сезон охоты за гравитационными волнами

1 апреля, после полуторагодичной паузы, за время которой сотрудники коллабораций LIGO и Virgo, работающих с основными на текущий момент детекторами гравитационных волн, значительно улучшили их

Те, кто живут на высоких этажах, стареют быстрее, чем живущие на низких

Один из постулатов теории относительности Эйнштейна утверждает, что, чем дальше человек находится от Земли, тем время для него идёт быстрее.

Технологии НЛО

Ученые создали первый в мире акустический притягивающей луч.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Эффективна ли саентология?«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыСветодиодные светильники для наружного освещенияРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаПочему мы стареем? Новая теория ученыхNASA получило новые снимки Большого красного пятна Юпитера