Аттосекундная физика и фемтосекундная физика тесно связаны, однако они работают на разных временных масштабах, что определяет их методы, задачи и область применения. Фемтосекунда равна 10−15 секунды, а аттосекунда — 10−18 секунды, что на три порядка меньше. Этот разрыв во времени существенно влияет на изучаемые процессы и на технологии, необходимые для их наблюдения.
Ключевые моменты различий:
Временной масштаб процессов. Фемтосекундная физика позволяет изучать колебания атомных ядер в молекулах и ультрабыстрые химические реакции, тогда как аттосекундная физика фокусируется на динамике электронов внутри атомов и молекул. Это означает, что аттосекундные эксперименты могут наблюдать явления, которые полностью недоступны для фемтосекундных методов, такие как перераспределение электронного облака в реальном времени.
Энергетический диапазон. Фемтосекундные лазеры работают, как правило, в видимом и инфракрасном диапазоне (1–3 эВ), что достаточно для возбуждения колебательных и ротационных состояний молекул. Аттосекундные импульсы создаются с использованием высокочастотного экстремального ультрафиолетового (XUV) или мягкого рентгеновского излучения (10–1000 эВ), что позволяет воздействовать на внутренние электронные оболочки атомов и инициировать ионизацию.
Методы генерации импульсов. Для получения фемтосекундных импульсов применяются хиральные лазерные системы и методы хиральной компрессии пиков мощности. Аттосекундные импульсы формируются через высокопорядковую гармоническую генерацию (HHG) в газах или с помощью синхротрона и свободно-электронных лазеров. Это требует более сложной оптики и систем контроля фазы.
Детектирование и временное разрешение. Фемтосекундные эксперименты используют технику помехового измерения, спектроскопию поглощения и фотодетекторы с временным разрешением порядка 10–100 фемтосекунд. Аттосекундная физика требует временного разрешения до сотых и тысячных долей фемтосекунды, что достигается методами стробоскопии для электронов, а также так называемой “attosecond streaking” спектроскопией.
Фемтосекундная физика концентрируется на процессах, которые затрагивают движения атомных ядер и коллективное взаимодействие молекул. Примеры:
Аттосекундная физика направлена на динамику электронов, где время реакции измеряется в сотых и тысячных долях фемтосекунды. Примеры:
Лазерные системы. Фемтосекундные лазеры позволяют формировать импульсы длительностью 10–100 fs с энергией до нескольких мДж. Аттосекундные лазеры требуют многократного сжатия импульсов и генерации высоких гармоник, при этом длина импульса может достигать десятков аттосекунд.
Временная синхронизация. В фемтосекундной физике синхронизация достигается через стандартные методы оптической интерферометрии. В аттосекундной физике необходим контроль фазовой синхронизации на уровне десятков тысячных долей периода электромагнитной волны, что является крайне сложной задачей.
Регистрация сигналов. Фемтосекундные процессы можно фиксировать фотонными и электронными детекторами с разрешением в десятки фемтосекунд. Аттосекундные процессы требуют более сложных методов, таких как streaking-камера или коллиматорная электронная спектроскопия, способных различать события на аттосекундной шкале.
Фемтосекундная физика активно применяется в химии для наблюдения реакций, в материаловедении для изучения ультрабыстрых фазовых переходов, а также в биофизике для понимания фотохимических процессов.
Аттосекундная физика открывает новые возможности в исследовании квантовой динамики электронов, управлении электронными процессами в молекулах, создании сверхбыстрых электронных переключателей и понимании фундаментальных вопросов, таких как время фотоионизации и туннельной динамики.