Физики обнаружили квантовый эффект, который позволяет получать рентгеновские фотоны с энергией выше предела, предсказываемого стандартной теорией лазерной физики. В эксперименте с атомами гелия исследователи заставили два электрона высвободить энергию одновременно. Результаты показывают, что взаимодействие электронов способно изменить ограничения, которые десятилетиями считались фундаментальными для одного из способов генерации коротких рентгеновских импульсов.

Работу выполнила международная группа учёных из Венского технического университета (TU Wien) и Калифорнийского университета в Сан-Диего. Результаты опубликованы в журнале Nature Photonics.

Как лазер генерирует рентгеновские импульсы

Когда интенсивный лазерный импульс воздействует на атом, он может выбить из него электрон. Электрическое поле лазера разгоняет освободившуюся частицу, а затем направляет её обратно к атому. При возвращении электрон высвобождает накопленную энергию в виде света, частота которого значительно превышает частоту исходного лазерного излучения.

Этот процесс называется генерацией высоких гармоник. Он позволяет получать чрезвычайно короткие световые импульсы, в том числе в рентгеновском диапазоне, и сыграл важную роль в развитии аттосекундной физики — области, изучающей процессы на масштабах времени, измеряемых аттосекундами.

«Механизм возникновения коротких рентгеновских импульсов давно известен», — объясняет профессор Института фотоники TU Wien Тенио Попминчев.

В 1990-х годах Ференц Краус разработал новаторские эксперименты, использовавшие этот механизм. Его исследования внесли вклад в развитие аттосекундной физики, за достижения в которой в 2023 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Однако у обычного процесса есть ограничение. Согласно теории, энергия излучаемых фотонов не может превышать определённый максимум, зависящий от взаимодействия лазерного поля с электроном. Выше этого порога интенсивность излучения резко падает. До сих пор такое ограничение рассматривали в рамках механизма, в котором участвует один электрон.

Два электрона меняют правила

Исследователи решили проверить, можно ли превысить этот предел, если в процессе участвуют сразу два электрона. Для эксперимента они использовали интенсивные импульсы ультрафиолетового излучения, воздействовавшие на атомы гелия.

В отличие от более привычного сценария, в котором лазер выбивает и возвращает один электрон, здесь электроны освобождались последовательно. При этом их поведение оставалось квантово-коррелированным: движение одной частицы нельзя было полностью рассматривать независимо от движения другой.

Тщательно подбирая параметры ультрафиолетовых импульсов, физики смогли добиться того, чтобы оба электрона вернулись к атому одновременно.

«Используя управляющие ультрафиолетовые импульсы, мы можем организовать возвращение обоих электронов к атому точно в один и тот же момент», — говорит Димитар Попминчев, постдокторант группы Тенио Попминчева в TU Wien.

В результате энергия двух электронов высвобождается одновременно. Это создаёт условия для генерации одного рентгеновского фотона с большей энергией и, соответственно, более высокой частотой, чем допускает обычная модель с одним электроном.

Таким образом, новый механизм позволяет выйти за предел, который прежде считался верхней границей генерации высоких гармоник в рамках одноэлектронного процесса.

Неожиданный сигнал в спектре

Эксперимент дал наблюдаемые признаки нового механизма. Анализируя спектр когерентного излучения, учёные обнаружили дополнительную область интенсивного излучения — так называемое плато — при энергиях фотонов, значительно превышающих предсказанный теорией предел.

Это дополнительное плато было слабее основного сигнала, но простиралось далеко за границы привычного энергетического диапазона.

Важную подсказку дала реакция разных атомов. Необычный эффект наблюдался при работе с гелием, но не проявился аналогичным образом в экспериментах с аргоном и неоном.

По мнению исследователей, различие связано с особенностями взаимодействия электронов в этих атомах. В гелии корреляции между двумя электронами играют особенно важную роль и позволяют согласовать их движение так, чтобы энергия высвобождалась одновременно. В условиях эксперимента внешние электроны аргона и неона не продемонстрировали аналогичного поведения.

Эти результаты поддерживают объяснение, согласно которому выход за привычный энергетический предел обусловлен именно совместным участием двух квантово-коррелированных электронов.

Новый инструмент для изучения квантовых систем

Открытие важно не только потому, что позволяет получать более энергичные рентгеновские фотоны. Оно также может дать физикам новый способ исследовать взаимодействия электронов внутри атомов, молекул и твёрдых материалов.

Когерентное рентгеновское излучение может работать как чувствительный спектроскопический индикатор электронных корреляций. По форме спектра, максимальной энергии фотонов и изменениям излучения при повороте поляризации лазерного света исследователи смогут получать сведения о поведении взаимодействующих электронов.

Такие процессы разворачиваются на аттосекундных масштабах. Одна аттосекунда составляет (10^{-18}) секунды — миллиардную долю миллиардной доли секунды. Изучение явлений на столь коротких промежутках времени необходимо для понимания того, как электроны движутся и влияют друг на друга в квантовых системах.

В перспективе учёные рассчитывают распространить этот подход на более сложные объекты — молекулы и твёрдые материалы, в которых электроны взаимодействуют особенно сильно. Это может помочь лучше понять свойства квантовых материалов и разработать новые методы управления их поведением.

Генерация высоких гармоник, когда-то ставшая одним из инструментов становления аттосекундной физики, теперь может помочь исследовать не только движение отдельных электронов, но и сложные взаимодействия между несколькими квантовыми частицами. Такие исследования способны расширить знания о квантовых системах, включая те, которые представляют интерес для квантовых вычислений и создания наноматериалов с заданными свойствами.