Измерение аттосекундных длительностей

Аттосекундная физика оперирует временными интервалами порядка 10⁻¹⁸ секунд. Для изучения процессов на таких масштабах традиционные методы, основанные на фотодетекторах или электронных счетчиках, оказываются непригодными, так как их временное разрешение находится в диапазоне фемтосекунд. Поэтому измерение аттосекундных длительностей требует применения косвенных методов, основанных на взаимодействии коротких лазерных импульсов с материей и анализа последующих динамических процессов.

Использование высокоэнергетических лазерных импульсов

Основной инструмент для генерации аттосекундных импульсов — высокоинтенсивные лазерные системы, способные создавать сверхкороткие всплески электромагнитного излучения в диапазоне XUV (экстремального ультрафиолета). Процессы, лежащие в основе формирования таких импульсов, включают:

• Высокопорядковое гармоническое излучение (HHG): при взаимодействии мощного фемтосекундного лазерного импульса с газовой средой электроны вырываются, ускоряются полем лазера и вновь рекомбинируют с ядром, излучая гармоники лазерного излучения. Это позволяет формировать квазисинусоидальные волны длительностью порядка сотен аттосекунд.
• Модуляция фазы и амплитуды: точная стабилизация CEP (carrier-envelope phase) обеспечивает формирование единственного аттосекундного пика, что критично для измерений временных интервалов на аттосекундном уровне.

Методики измерения

Измерение аттосекундных длительностей невозможно с помощью прямого временного детектирования, поэтому применяются косвенные методы:

1. Схема «pump–probe» (накачка–зондирование) В этом подходе один ультракороткий импульс инициирует динамический процесс в объекте (например, ионизацию атома), а второй импульс, с точно контролируемой задержкой, используется для измерения состояния системы. Изменение наблюдаемого сигнала (фотоионы, фотоэлектроны) позволяет восстановить временную структуру процесса с разрешением, соответствующим длительности зондирующего импульса.

2. Стробоскопический метод на фотоэлектронах (RABBITT, Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon Transitions) Этот метод основан на интерференции двух последовательных гармоник высокопорядкового излучения при взаимодействии с атомной системой. Измерение фазовой зависимости спектра фотоэлектронов позволяет реконструировать временные интервалы между импульсами с точностью до десятков аттосекунд.

3. Секундомер на базе туннельной ионизации (attosecond streaking) Аттосекундный импульс ионизирует атом, а синхронный низкочастотный лазерный полевой импульс ускоряет вылетевший электрон. Изменение энергии электрона в зависимости от временной задержки импульсов служит прямым индикатором времени и позволяет определять длительность аттосекундного импульса.

Влияние волновых пакетов и корреляций

Для точного измерения аттосекундных длительностей необходимо учитывать квантовую природу электронных волновых пакетов. Широкий спектральный диапазон короткого импульса приводит к корреляциям фаз и амплитуд различных энергетических компонентов. Методы анализа, такие как фазовая реконструкция и временная деконволюция, позволяют выделить чистый временной профиль аттосекундного импульса.

Ограничения и источники ошибок

• Хроматическая дисперсия среды: даже незначительное расхождение фазовых скоростей для разных частот XUV-импульса может изменять форму аттосекундного пика.
• CEP-флуктуации: нестабильность фазы несущей относительно огибающей приводит к смещению временной локализации импульса.
• Статистические шумы фотодетекции: при низкой интенсивности импульсов точность реконструкции времени ограничена количеством регистрируемых событий.

Точность и современные достижения

Современные эксперименты позволяют измерять длительности отдельных аттосекундных импульсов с точностью до 10–20 аттосекунд. Это стало возможным благодаря:

• совершенствованию лазерных систем с CEP-стабилизацией,
• развитию высокоразрешающих детекторов фотоэлектронов,
• улучшению методов временной реконструкции через интерференционные техники.

Эти достижения открывают возможности для исследования ультрабыстрых электронных процессов, таких как туннельная ионизация, динамика когерентных электронных волн и переходные процессы в сложных молекулах на их естественном временном масштабе.