Ученые нарушили основополагающее правило физики

Синхронное возвращение двух квантово связанных электронов к атому гелия позволило сгенерировать рентгеновские фотоны сверхвысоких энергий в обход стандартной теории, пишет ScienceDaily.

Команда физиков из Венского технического университета (TU Wien) и Калифорнийского университета в Сан-Диего опровергла фундаментальное правило лазерной физики, ограничившее максимальную энергию рентгеновского излучения при генерации высших гармоник. О результатах экспериментального прорыва исследователи сообщили в журнале Nature Photonics.

В традиционной трехступенчатой модели лазерного излучения электрическое поле выбивает из атома один электрон, разгоняет его и сталкивает обратно с родительским ядром. При возвращении частица сбрасывает накопленную кинетическую энергию в виде фотона высокой частоты (вплоть до мягкого рентгена). До сих пор считалось, что существует строгий теоретический порог максимальной энергии таких квантов («граница отсечки»), зависящий от параметров лазера и потенциала ионизации одиночного электрона. Выше этой границы интенсивность излучения резко падала.

В новом эксперименте исследователи направили мощные ультрафиолетовые импульсы на атомы гелия, добившись последовательного выбивания обоих его электронов. Благодаря сильным квантовым корреляциям частицы оставались связанными, а точная настройка лазерного поля позволила вернуть их к атому одновременно. В момент столкновения оба электрона высвободили энергию сообща, породив единичные рентгеновские фотоны с энергией и частотой, существенно превышающими предел одиночного электрона.

В спектре излучения гелия ученые зафиксировали второе «плато» высокоэнергетических гармоник за пределами классической границы отсечки. Примечательно, что опыты с аргоном и неоном такого эффекта не дали, что подтвердило ключевую роль сильной межэлектронной корреляции гелия. Открытие открывает путь к созданию сверхчувствительных спектроскопических датчиков для изучения квантовых взаимодействий электронов на аттосекундных масштабах, что востребовано при проектировании квантовых процессоров и наноматериалов.