Аттосекундная метрология представляет собой область современной физики, направленную на измерение и управление процессами, протекающими на временных масштабах порядка 10−18 секунд. Такие масштабы сопоставимы с естественными временами движения электронов в атомах и молекулах, а также с процессами фотоионизации, корреляционных эффектов и быстрых электрон-электронных взаимодействий. Для описания динамики вещества с временным разрешением в несколько сотен аттосекунд требуется не только генерация сверхкоротких импульсов излучения, но и разработка принципиально новых методов измерения и синхронизации.
Главным вызовом в аттосекундной метрологии является создание стабильной и воспроизводимой шкалы времени, которая позволяет соотнести измеряемые процессы с опорным сигналом. Для этого применяются:
Лазерные поля с управляемой огибающей (CEP-контроль). Сдвиг несущей частоты относительно огибающей импульса напрямую влияет на момент инициации электронных процессов. Стабилизация CEP является обязательным условием для точных измерений.
Интерференционные методы. Используются схемы интерферометрии с разделением частотных компонент для измерения задержек между импульсами.
Прямое временное преобразование. Реализуется через взаимодействие исследуемого процесса с дополнительным оптическим полем (например, метод streaking-спектроскопии).
Таким образом, шкала времени в аттосекундной физике строится не через классические часы, а через фазовую синхронизацию и воспроизводимость световых полей.
Для метрологических измерений необходимо обладать источниками излучения с длительностью менее одной фемтосекунды. Основные подходы:
Гармоническая генерация в газах. При взаимодействии интенсивного инфракрасного лазера с атомами газа возникает высокочастотное излучение в виде спектра нечётных гармоник. При определённых условиях возможно формирование одиночного аттосекундного импульса.
Сверхширокополосное формирование спектра. Сочетание нескольких спектральных компонент позволяет получить импульсы длительностью 50–200 аттосекунд.
Селективное использование окна генерации. Управление параметрами лазера и среды приводит к подавлению нежелательных импульсов и улучшению контрастности.
Эти методы позволяют не только создавать аттосекундные вспышки, но и стабилизировать их временные характеристики, что критически важно для метрологии.
Одним из основных инструментов является фотоэлектронная спектроскопия с временной задержкой. В этой схеме аттосекундный импульс используется для ионизации атома или молекулы, а более длинноволновое поле (часто ИК-лазер) накладывает дополнительную временную модуляцию на фотоэлектроны. Анализ распределений энергий позволяет восстановить момент ионизации с точностью до десятков аттосекунд.
Другие методы:
Для обеспечения точности измерений требуется выработка стандартов временной шкалы:
Особое значение в аттосекундной метрологии имеет учет электрон-электронных взаимодействий. При ионизации одного электрона другой может испытывать коррелированные возбуждения или перераспределение энергии. Временные задержки, связанные с этими процессами, позволяют исследовать фундаментальные механизмы переноса заряда и энергии в атомах и молекулах.
Развитие аттосекундной метрологии направлено на: