Первые шаги аттофизики

Е.Онищенко

На исходе прошлого тысячелетия (в 1999 году) Нобелевской премией было отмечено исследование сверхбыстрых химических реакций. Одним из заметных успехов физики в начале нового тысячелетия явился прорыв в генерации ультракоротких импульсов электромагнитного излучения (длительностью менее одной фемтосекунды!), что дало рождение новой области "аттофизике".

Прежде чем говорить об аттофизике, разберемся, откуда происходит это название. Приставки нано-, пико-, фемто- и атто- перед названием единицы измерения физической величины означают единицу измерения, составляющую, соответственно, 10-9, 10-12, 10-15 и 10-18 от исходной; в частности, 1 аттосекунда (ас) = 10-18 с. Аттофизикой называют область физики, связанную с исследованием быстропротекающих физических процессов с аттосекундными временным разрешением (в диапазоне от 10-18 с до 10-15 с).

Рис.1. Характерные временные масштабы различных физических процессов (показаны только процессы длительностью менее 1 нс, так что верхняя временная граница в некоторых случаях чисто условна). По оси ординат показан энергетический диапазон фотонов, требуемых для исследования тех или иных процессов (из работы [1]).

Устремляясь вперед, иногда полезно бросить взгляд назад, на пройденный путь. Создание лазеров дало мощнейший толчок развитию новых и совершенствованию старых оптических методов исследования вещества. Стало возможным с помощью импульсов малой длительности изучать динамику быстрых процессов, протекающих в атомах, молекулах и твердых телах. Если в 60-х годах прошлого века в распоряжении ученых оказались импульсы наносекундной длительности, что позволяло исследовать процессы с характерной длительностью в десятки и сотни наносекунд, то в последующие десятилетия были развиты способы генерировать пикосекундные и фемтосекундные импульсы, что открыло перед наукой казавшиеся ранее невероятными возможности. На рис. 1 схематически показаны характерные временные масштабы некоторых атомных, молекулярных и твердотельных физических процессов. Из рисунка можно видеть, что пико- и фемтосекундное разрешение позволяет изучать колебательное и вращательное внутримолекулярное движение, динамику носителей в полупроводниках (и полупроводниковых наноструктурах), фазовые переходы в твердых телах, формирование и разрыв химических связей и т.д.

В 90-е годы фемтосекундные лазеры из экзотики превратились в нормальный (хотя и не слишком дешевый) инструмент научных исследований, что легко заметить даже по нашим новостям . Увидеть "работу" фемтосекундных лазеров можно в сообщениях о наблюдении поверхностных химических реакций с фемтосекундным разрешением и наблюдении электронно-дырочной жидкости в алмазе, об оптической микроскопии с разрешением порядка 30 нм (!) и новом оптическом методе исследования магнитных структур ... Мало того, что фемтосекундные лазеры "не удовольствовались" ролью удобного и полезного инструмента: возможность получения мощных фемтосекундных импульсов привела к появлению новой, бурно развивающейся, области - настольной физики высоких энергий .

К концу 90-х годов была отработана техника генерации предельно коротких (длительностью в 2-3 периода оптического поля, т.е. порядка 5 фс) фемтосекундных импульсов (об этом можно прочесть в обзоре, посвященном генерации ультракоротких фемтосекундных импульсов [1]). Продвижение в сторону еще более коротких импульсов в силу фундаментальных ограничений уже не позволяло оставаться в ближнем инфракрасном или оптическом диапазоне волн. У физиков оставался единственный выход: переход к более коротковолновому излучению, в область дальнего ультрафиолета - мягкого рентгена.

Плодотворная дебютная идея состояла в конвертации части энергии коротких фемтосекундных импульсов оптического диапазона в более коротковолновое излучение (генерация высоких гармоник - излучения с частотой, кратной частоте начального импульса) с использованием сверхбыстрых нелинейных оптических эффектов. Такой эффект предполагалось получить в процессе взаимодействия мощных (и как можно более коротких) лазерных импульсов с веществом (например, с газом).

Рис.2. Расчеты - генерация высокочастотного излучения при действии мощных импульсов 10 фс (слева) и 5 фс (справа) на газовую мишень. Вверху интенсивность высокоэнергетичного излучения; внизу - временные зависимости для напряженности "фемтосекундного" лазерного поля и генерированного высокоэнергетичного излучения (номера гармоник указаны на рисунке) (из работы [2]).

Если оптический импульс достаточно мощен и хорошо сфокусирован (плотность мощности порядка 1015 Вт/см2 и выше), то напряженность электрического поля, действующего на атомы, становится сопоставима с внутриатомным электрическим полем (порядка 109 В/см), т.е. становится достаточной, чтобы вызвать ионизацию атома за счет подавления кулоновского барьера. Освобожденный из атома электрон совершает колебательное движение в поле лазерного импульса; поскольку поле сильно, электрон может приобретать при этом большую кинетическая энергию. Ускоренный электрическим полем электрон испытывает соударения с атомами (в достаточно разреженных газах как правило с "родительскими ионами" - атомами, из которых он был выбит). При столкновениях достаточно высокоэнергетичных электронов с ионами имеет место тормозное излучение - электрон теряет энергию, излучая кванты электромагнитного поля (их энергия ограничена сверху максимально возможной э