Исследователи, использующие Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL), достигли прорыва в изучении квантовых процессов взаимодействия света и вещества, повысив эффективность фотоионизации в сто раз. Впервые ими было сформировано и подробно исследовано экзотическое состояние двойной вакансии в электронной оболочке сильно ионизированного криптона, при котором два внутренних электрона возбуждаются синхронно.
В эксперименте применялись 5000 ультракоротких рентгеновских импульсов в секунду. При поглощении рентгеновского фотона атомом или ионом внутренний электрон оболочки переводится на более высокий энергетический уровень, создавая мимолётную вакансию, в течение которой второй фотон может быть воспринят другим внутренним электроном до того, как первая дырка будет заполнена. Этот промежуток, равный нескольким фемтосекундам (1 фмс = 10−15 с), открывает путь к образованию редкого дважды возбуждённого состояния.
В исследовании использовались ионы криптона Kr26+, у которых удалены все электроны, кроме десяти, что позволило чётко проследить динамику возбуждения. Преимущество криптона заключается в том, что энергия, необходимая для последовательного возбуждения двух внутренних электронов, почти совпадает, что сделало возможным применение монохроматического рентгеновского пучка с относительной шириной полосы всего 0,5 % для обоих переходов.
«Совпадение резонансных энергий обусловлено релятивистскими сдвигами уровней внутренних электронов», — объяснил Мото Тогава (Moto Togawa), научный сотрудник Института ядерной физики им. Макса Планка (MPIK) и ведущий автор работы. — Это обеспечивает «двойной резонанс», при котором дважды возбужденное состояние распадается, испуская электроны в течение нескольких фемтосекунд и приводя к ещё более высокому уровню ионизации. По сравнению с одиночным фотоэффектом такой двойной резонанс поглощает свыше ста фотонов, значительно увеличивая общую эффективность процесса.
Учёные отмечают, что полученный метод станет мощным инструментом для экспериментов с временным разрешением, особенно в двухцветном режиме. Кроме того, они предполагают, что данная методика может быть адаптирована для исследований с использованием жёсткого рентгеновского излучения на следующем поколении рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFELO), разрабатываемых на этой же установке.
Эти результаты открывают перспективы для высокоточнейших рентгеновских измерений и углубляют понимание фундаментальных процессов взаимодействия света и вещества в экстремальных условиях.
Источник: iXBT
