Ֆիզիկոսները հայտնաբերել են քվանտային էֆեկտ, որը թույլ է տալիս ստանալ լազերային ֆիզիկայի ստանդարտ տեսությամբ կանխատեսվող սահմանը գերազանցող էներգիայով ռենտգենյան ֆոտոններ։ Հելիումի ատոմներով փորձի ընթացքում հետազոտողները ստիպել են երկու էլեկտրոնի միաժամանակ էներգիա արձակել։ Արդյունքները ցույց են տալիս, որ էլեկտրոնների փոխազդեցությունը կարող է փոխել այն սահմանափակումները, որոնք տասնամյակներ շարունակ հիմնարար էին համարվում կարճ ռենտգենյան իմպուլսների գեներացման եղանակներից մեկի համար։

Աշխատանքն իրականացրել է Վիեննայի տեխնիկական համալսարանի (TU Wien) և Սան Դիեգոյի Կալիֆոռնիայի համալսարանի գիտնականների միջազգային խումբը։ Արդյունքները հրապարակվել են Nature Photonics ամսագրում։

Ինչպես է լազերը գեներացնում ռենտգենյան իմպուլսներ

Երբ ինտենսիվ լազերային իմպուլսն ազդում է ատոմի վրա, այն կարող է նրանից էլեկտրոն պոկել։ Լազերի էլեկտրական դաշտն արագացնում է ազատված մասնիկը, ապա այն ուղղում դեպի ատոմը։ Վերադառնալիս էլեկտրոնը կուտակած էներգիան արձակում է լույսի տեսքով, որի հաճախականությունը զգալիորեն գերազանցում է սկզբնական լազերային ճառագայթման հաճախականությունը։

Այս գործընթացը կոչվում է բարձր հարմոնիկների գեներացում։ Այն թույլ է տալիս ստանալ չափազանց կարճ լուսային իմպուլսներ, այդ թվում՝ ռենտգենյան տիրույթում, և կարևոր դեր է խաղացել ատտովայրկյանային ֆիզիկայի զարգացման գործում․ այս ոլորտն ուսումնասիրում է ատտովայրկյաններով չափվող ժամանակային մասշտաբներում ընթացող գործընթացները։

«Կարճ ռենտգենյան իմպուլսների առաջացման մեխանիզմը վաղուց հայտնի է», — բացատրում է TU Wien-ի ֆոտոնիկայի ինստիտուտի պրոֆեսոր Տենիո Պոպմինչևը։

1990-ական թվականներին Ֆերենց Կրաուսը մշակել է այս մեխանիզմն օգտագործող նորարարական փորձեր։ Նրա հետազոտությունները նպաստել են ատտովայրկյանային ֆիզիկայի զարգացմանը, որի ոլորտում ունեցած նվաճումների համար 2023 թվականին շնորհվել է ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակը։

Սակայն սովորական գործընթացն ունի սահմանափակում։ Ըստ տեսության՝ արձակվող ֆոտոնների էներգիան չի կարող գերազանցել որոշակի առավելագույն արժեք, որը կախված է լազերային դաշտի և էլեկտրոնի փոխազդեցությունից։ Այդ շեմից վեր ճառագայթման ինտենսիվությունը կտրուկ նվազում է։ Մինչ այժմ այդ սահմանափակումը դիտարկվում էր մեկ էլեկտրոնի մասնակցությամբ մեխանիզմի շրջանակում։

Երկու էլեկտրոնը փոխում են կանոնները

Հետազոտողները որոշել են ստուգել՝ արդյոք հնարավոր է գերազանցել այդ սահմանը, եթե գործընթացին միաժամանակ մասնակցում է երկու էլեկտրոն։ Փորձի համար նրանք օգտագործել են ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման ինտենսիվ իմպուլսներ, որոնք ազդել են հելիումի ատոմների վրա։

Ի տարբերություն ավելի սովորական սցենարի, երբ լազերը պոկում և վերադարձնում է մեկ էլեկտրոն, այստեղ էլեկտրոններն ազատվում էին հաջորդաբար։ Ընդ որում, նրանց վարքը մնում էր քվանտային փոխկապակցվածության մեջ. մի մասնիկի շարժումը հնարավոր չէր ամբողջությամբ դիտարկել մյուսի շարժումից անկախ։

Մանրակրկիտ ընտրելով ուլտրամանուշակագույն իմպուլսների պարամետրերը՝ ֆիզիկոսներին հաջողվել է հասնել նրան, որ երկու էլեկտրոններն էլ միաժամանակ վերադառնան ատոմին։

«Օգտագործելով կառավարող ուլտրամանուշակագույն իմպուլսներ՝ մենք կարող ենք ապահովել երկու էլեկտրոնների վերադարձը դեպի ատոմ ճիշտ նույն պահին», — ասում է TU Wien-ում Տենիո Պոպմինչևի խմբի հետդոկտորական հետազոտող Դիմիտար Պոպմինչևը։

Արդյունքում երկու էլեկտրոնների էներգիան արձակվում է միաժամանակ։ Սա պայմաններ է ստեղծում ավելի մեծ էներգիայով և, համապատասխանաբար, ավելի բարձր հաճախականությամբ մեկ ռենտգենյան ֆոտոնի գեներացման համար, քան թույլ է տալիս մեկ էլեկտրոնով սովորական մոդելը։

Այսպիսով, նոր մեխանիզմը թույլ է տալիս անցնել այն սահմանը, որը նախկինում համարվում էր բարձր հարմոնիկների գեներացման վերին շեմը մեկէլեկտրոնային գործընթացի շրջանակում։

Անսպասելի ազդանշան սպեկտրում

Փորձը տվել է նոր մեխանիզմի դիտարկելի նշաններ։ Վերլուծելով կոհերենտ ճառագայթման սպեկտրը՝ գիտնականները հայտնաբերել են ինտենսիվ ճառագայթման լրացուցիչ տիրույթ՝ այսպես կոչված պլատո, ֆոտոնների այնպիսի էներգիաների դեպքում, որոնք զգալիորեն գերազանցում են տեսությամբ կանխատեսված սահմանը։

Այս լրացուցիչ պլատոն ավելի թույլ էր հիմնական ազդանշանից, սակայն տարածվում էր սովորական էներգետիկ տիրույթի սահմաններից շատ հեռու։

Կարևոր հուշում է տվել տարբեր ատոմների արձագանքը։ Արտասովոր էֆեկտը դիտվել է հելիումի հետ աշխատելիս, սակայն նույն կերպ չի դրսևորվել արգոնով և նեոնով փորձերում։

Հետազոտողների կարծիքով՝ տարբերությունը կապված է այդ ատոմներում էլեկտրոնների փոխազդեցության առանձնահատկությունների հետ։ Հելիումում երկու էլեկտրոնների միջև կոռելյացիաները հատկապես կարևոր դեր են խաղում և թույլ են տալիս համաձայնեցնել նրանց շարժումն այնպես, որ էներգիան արձակվի միաժամանակ։ Փորձի պայմաններում արգոնի և նեոնի արտաքին էլեկտրոնները նման վարք չեն դրսևորել։

Այս արդյունքները հաստատում են այն բացատրությունը, ըստ որի՝ սովորական էներգետիկ սահմանը գերազանցելը պայմանավորված է հենց քվանտային փոխկապակցվածություն ունեցող երկու էլեկտրոնների համատեղ մասնակցությամբ։

Քվանտային համակարգերի ուսումնասիրության նոր գործիք

Հայտնագործությունը կարևոր է ոչ միայն այն պատճառով, որ թույլ է տալիս ստանալ ավելի մեծ էներգիայով ռենտգենյան ֆոտոններ։ Այն կարող է ֆիզիկոսներին նաև նոր եղանակ տալ՝ ուսումնասիրելու էլեկտրոնների փոխազդեցություններն ատոմների, մոլեկուլների և պինդ նյութերի ներսում։

Կոհերենտ ռենտգենյան ճառագայթումը կարող է ծառայել որպես էլեկտրոնային կոռելյացիաների զգայուն սպեկտրադիտական ցուցիչ։ Սպեկտրի ձևի, ֆոտոնների առավելագույն էներգիայի և լազերային լույսի բևեռացման պտտման ժամանակ ճառագայթման փոփոխությունների հիման վրա հետազոտողները կկարողանան տեղեկություններ ստանալ փոխազդող էլեկտրոնների վարքի մասին։

Նման գործընթացները տեղի են ունենում ատտովայրկյանային մասշտաբներում։ Մեկ ատտովայրկյանը կազմում է (10^{-18}) վայրկյան՝ վայրկյանի միլիարդերորդ մասի միլիարդերորդ մասը։ Այսքան կարճ ժամանակահատվածներում տեղի ունեցող երևույթների ուսումնասիրությունն անհրաժեշտ է հասկանալու համար, թե ինչպես են էլեկտրոնները շարժվում և ազդում միմյանց վրա քվանտային համակարգերում։

Հեռանկարում գիտնականները հույս ունեն այս մոտեցումը տարածել ավելի բարդ օբյեկտների՝ մոլեկուլների և պինդ նյութերի վրա, որոնցում էլեկտրոնները հատկապես ուժեղ են փոխազդում։ Սա կարող է օգնել ավելի լավ հասկանալ քվանտային նյութերի հատկությունները և մշակել դրանց վարքի կառավարման նոր մեթոդներ։

Բարձր հարմոնիկների գեներացումը, որը ժամանակին դարձել էր ատտովայրկյանային ֆիզիկայի ձևավորման գործիքներից մեկը, այժմ կարող է օգնել ուսումնասիրել ոչ միայն առանձին էլեկտրոնների շարժումը, այլև մի քանի քվանտային մասնիկների միջև բարդ փոխազդեցությունները։ Նման հետազոտությունները կարող են ընդլայնել քվանտային համակարգերի մասին գիտելիքները, այդ թվում՝ այն համակարգերի, որոնք հետաքրքրություն են ներկայացնում քվանտային հաշվարկների և նախապես սահմանված հատկություններով նանոնյութերի ստեղծման համար։