Физики получили рентгеновское излучение с энергией, превышающей предел, который долгое время считался максимальным для лазерных экспериментов. Исследователи из Венского технического университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего направили мощные ультрафиолетовые импульсы на атомы гелия. Результат связан с одновременным высвобождением энергии двух квантово коррелированных электронов.
Обычно лазерное поле выбивает из атома один электрон, ускоряет его, а затем возвращает обратно. При столкновении с атомом электрон отдаёт энергию в виде света, частота которого намного выше частоты исходного лазерного излучения. Однако стандартная теория устанавливает верхнюю границу такой частоты: после достижения энергетического порога интенсивность рентгеновского излучения резко снижается.
Новый эксперимент показал, что этот предел можно превысить, если в процессе участвуют оба электрона атома гелия. Первый электрон покидает атом и ускоряется лазерным полем, затем аналогичный процесс происходит со вторым. Несмотря на разное время выхода, частицы сохраняют квантовую связь, поэтому их движение нельзя рассматривать как полностью независимое.
Подбор параметров ультрафиолетовых импульсов позволил добиться одновременного возвращения электронов к атому. «Используя управляющие ультрафиолетовые импульсы, мы можем сделать так, чтобы оба электрона вернулись к атому точно в одно и то же время», — сказал постдок Венского технического университета Димитар Попминтчев. По его словам, тогда энергия двух электронов высвобождается сразу и может породить один рентгеновский фотон с более высокой частотой.
В спектре когерентного излучения учёные обнаружили второй устойчивый участок — плато, расположенный при значительно больших энергиях фотонов, чем предсказывает обычная модель. Этот сигнал был слабее основного, но простирался далеко за прежнюю границу. Эффект наблюдался только у гелия: опыты с аргоном и неоном не дали аналогичного результата для их внешних электронов, что указывает на особую роль сильной корреляции двух электронов гелия.
Результаты опубликованы в журнале Nature Photonics, а о работе сообщила ScienceDaily. Метод генерации высоких гармоник, который помог сформировать аттосекундную физику и связан с исследованиями, отмеченными Нобелевской премией по физике 2023 года, теперь может использоваться для изучения взаимодействий электронов. Такие процессы происходят за аттосекунды — одной миллиардной миллиардной доли секунды; в перспективе подход могут применить к молекулам и твёрдым материалам, а также к исследованиям квантовых вычислений и наноматериалов.