Ta strona używa plików cookies, aby zapewnić najlepszą jakość korzystania z naszego serwisu oraz do celów analitycznych. Klikając "Akceptuję", wyrażasz zgodę na używanie wszystkich plików cookies. Możesz również odrzucić zgodę, co spowoduje zablokowanie plików cookies analitycznych. Więcej informacji znajdziesz w naszej Polityce Prywatności.
Dwa elektrony w helu umożliwiły emisję promieniowania X poza standardową granicą
W atomach helu zaobserwowano promieniowanie X o energii wyższej, niż przewiduje standardowy model jednoelektronowy.
Dwa elektrony mogły wrócić do atomu w tym samym czasie i uwolnić energię jednocześnie.
W widmie pojawił się drugi, słabszy zakres emisji, którego nie zaobserwowano w argonie ani neonie.
Zjawisko może stać się narzędziem do badania korelacji elektronów w skalach attosekundowych.
Sponsorowane
Odkryj rewolucyjną metodę nauki języków
Sprawdź jak w 30 dni opanować podstawy dowolnego języka obcego bez wychodzenia z domu.
Atomy helu oświetlone intensywnymi impulsami lasera ultrafioletowego wyemitowały koherentne promieniowanie rentgenowskie o energiach wyższych, niż przewiduje standardowy opis tego zjawiska. Eksperyment przeprowadzony wspólnie przez zespoły z TU Wien oraz University of California San Diego pokazał, że granica emisji może zostać przekroczona, gdy w procesie uczestniczą dwa kwantowo skorelowane elektrony. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Photonics.
Jak laser wytwarza promieniowanie rentgenowskie
Zjawisko należy do generacji wysokich harmonicznych. W typowym przebiegu silne pole elektryczne lasera wyrywa pojedynczy elektron z atomu. Następnie pole przyspiesza ten elektron, a jego trajektoria może doprowadzić go z powrotem do macierzystego atomu. Podczas ponownego zderzenia elektron traci energię. Ta energia jest emitowana w postaci fotonu, czyli porcji światła, o częstotliwości znacznie wyższej niż częstotliwość lasera użytego do pobudzenia atomu. W odpowiednich warunkach powstają krótkie impulsy promieniowania w zakresie rentgenowskim.
Mechanizm ten był badany już w latach 90. przez Ferenca Krausza, który pracował wówczas w TU Wien. Badania nad bardzo krótkimi impulsami światła przyczyniły się do rozwoju fizyki attosekundowej, a związane z nimi osiągnięcia zostały uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2023 roku. Dzisiejsze doświadczenie nie zmienia podstawowego obrazu pojedynczej rekombinacji elektronu z atomem, lecz pokazuje, że w określonym układzie można wykorzystać dodatkowy kanał emisji.
Słownik artykułu
Pojęcia, które warto znać
Krótkie objaśnienia terminów występujących w tekście. Każde hasło prowadzi do szerszej definicji i przykładów użycia.
Standardowy proces opiera się na uwolnieniu, przyspieszeniu i powrocie jednego elektronu do atomu.
Model jednoelektronowy przewiduje granicę odcięcia energii zależną od właściwości wiązki lasera.
W helu zaobserwowano drugi, słabszy plateau widma, położony znacznie powyżej znanego wcześniej zakresu.
Podobnego zachowania nie stwierdzono dla elektronów walencyjnych argonu ani neonu.
Dlaczego standardowa granica nie powinna być przekraczana
W opisie opartym na jednym elektronie jego powrót do atomu może generować szeroki zakres częstotliwości o zbliżonej intensywności. Nie jest on jednak nieograniczony. Powyżej określonego maksimum emisja powinna wyraźnie słabnąć, ponieważ elektron nie może uzyskać w polu lasera większej energii, niż pozwalają na to warunki jego ruchu. Ta granica energii, nazywana granicą odcięcia energii, jest jedną z podstawowych cech wysokoharmonicznej generacji. Zwykle oznacza ona, że pojedynczy elektron nie może sam dostarczyć energii potrzebnej do emisji jeszcze wyżej energetycznego fotonu.
Hel pozwolił zaangażować dwa elektrony
Zespół badawczy sprawdził, co stanie się, gdy w procesie nie będzie uczestniczył tylko jeden elektron. Wykorzystano atomy helu, w których można uwolnić dwa elektrony, jeden po drugim, za pomocą intensywnych impulsów ultrafioletowych. Nie zachowują się one jak dwa całkowicie niezależne obiekty. Są związane mechaniką kwantową, dlatego ruch jednego elektronu może pozostawać powiązany z ruchem drugiego. Odpowiednio dobrane impulsy lasera pozwoliły ustawić warunki tak, aby oba elektrony wracały do atomu dokładnie w tym samym czasie.
W takiej sytuacji energia obu elektronów może zostać uwolniona jednocześnie. Zamiast traktować każdy powrót jako osobny proces, układ może przekazać wspólną energię pojedynczemu fotonowi. Taki foton ma wyższą energię, a więc również wyższą częstotliwość, niż byłoby to możliwe w standardowym obrazie opartym na jednym elektronie. Kluczowe jest nie samo zwiększenie liczby elektronów w atomie, lecz ich wspólny, kwantowo skorelowany powrót.
Drugi zakres emisji w pomiarach
Eksperyment ujawnił w zmierzonym spójnym widmie drugi, słabszy plateau. Pojawił się on znacznie powyżej dotychczas znanego zakresu energii fotonów, a więc poza granicą przewidywaną dla standardowego procesu jednoelektronowego. Oznacza to, że w pomiarze znalazła się dodatkowa grupa wysokich harmonicznych o wyjątkowo dużych częstotliwościach. Nie była to jedynie zmiana kształtu zwykłego widma, ale sygnał nowego kanału emisji związany z jednoczesnym udziałem dwóch elektronów.
Porównanie z innymi gazami szlachetnymi dostarczyło dodatkowej wskazówki dotyczącej źródła efektu. Takiego zachowania nie zaobserwowano w przypadku argonu ani neonu, gdy analizowano ich elektrony walencyjne. Według autorów wzmacnia to interpretację, że decydującą rolę odgrywa szczególne oddziaływanie między elektronami w helu. Sam pomiar pokazuje rozszerzenie zakresu emisji, natomiast wyjaśnienie oparte na korelacjach elektronów opisuje mechanizm, który ma za to odpowiadać.
Promieniowanie jako narzędzie badania materii
Nowy rodzaj koherentnego promieniowania rentgenowskiego może w przyszłości służyć jako czujnik korelacji elektronów. Informacji o ich wspólnym ruchu można szukać w kształcie widma, położeniu jego granicy energetycznej oraz zależności emisji od polaryzacji lasera. Są to cechy mierzalnego sygnału, które mogą opisywać sposób oddziaływania elektronów w bardzo krótkich, attosekundowych skalach czasowych. Na tym etapie wynik pokazuje przede wszystkim możliwość zastosowania takiej emisji jako sondy procesów kwantowych, a nie gotową technologię pomiarową.
Autorzy wskazują, że podobną zasadę można w dalszej perspektywie sprawdzić także w cząsteczkach oraz w ciałach stałych o silnych korelacjach. Byłoby to rozszerzenie roli generacji wysokich harmonicznych. Zjawisko, które wcześniej pomogło rozwijać fizykę attosekundową, może stać się również sposobem badania procesów wielu ciał, czyli układów, w których zachowanie poszczególnych elektronów nie daje się łatwo rozdzielić. Takie procesy mają znaczenie dla podstawowych badań nad obliczeniami kwantowymi oraz projektowaniem zaawansowanych nanomateriałów, ale możliwość wykorzystania opisanego efektu w tych dziedzinach pozostaje kierunkiem dalszych prac.
Praca zespołu Siyanga Wanga i współautorów nosi tytuł Correlated electrons extend X-ray high-harmonic generation beyond the single-electron limit i ukazała się w 2026 roku w Nature Photonics. Jej główny wynik dotyczy atomów helu poddanych działaniu intensywnych impulsów UV oraz rozszerzenia zakresu promieniowania poza standardową granicę jednoelektronową. Nie oznacza to uniwersalnego zniesienia tej granicy dla każdego atomu i każdych warunków, lecz wskazuje, że korelacje elektronów mogą otworzyć dodatkową drogę do emisji wysokoenergetycznych fotonów.
