Исследователи Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) с коллегой из Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук в рамках совместной лаборатории SIOM–Skoltech выяснили, как подобрать толщину и плотность плазменной мишени, чтобы проходящий через неё импульс сохранил аттосекундную длительность и высокую интенсивность. Результаты помогут точнее проектировать плазменные источники ультрафиолетового и рентгеновского излучения, используемые для изучения сверхбыстрых процессов в веществе. Работа опубликована в журнале Applied Physics Letters (Q1, Nature Index).

Аттосекунда составляет 10⁻¹⁸ секунды. Импульсы такой длительности можно сравнить со сверхбыстрой вспышкой фотокамеры: они позволяют как бы «заморозить» движение электронов и исследовать процессы, которые невозможно различить с помощью более длинных импульсов. Это важно для изучения атомов, молекул, твёрдых тел и новых материалов.

Один из перспективных способов получения интенсивного аттосекундного излучения основан на взаимодействии мощного лазерного импульса с плотной плазмой. У её поверхности формируются тонкие электронные сгустки, излучающие короткие вспышки в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах.

Однако та же плазма, которая участвует в создании импульса, может его «размыть». Разные частотные компоненты излучения проходят через среду с разными скоростями. Из-за этого импульс растягивается во времени, меняет частотную структуру и теряет пиковую интенсивность. Чем плотнее плазма и толще мишень, тем сильнее накапливается дисперсия. В определённый момент импульс перестаёт быть аттосекундным и уже не позволяет наблюдать самые быстрые электронные процессы.

Чтобы определить эту границу, учёные провели одномерное и двумерное моделирование методом частиц в ячейках на суперкомпьютере Сколтеха «Жорес». Расчёты сопоставили со спектральной моделью распространения волн и упрощенным аналитическим описанием.

В результате авторы получили компактные зависимости, связывающие растяжение импульса с плотностью и толщиной плазмы, а также с характерной частотой аттосекундного излучения. На их основе был сформулирован критерий накопленной дисперсии, показывающий, при каких параметрах мишени аттосекундная структура импульса сохраняется, а при каких — разрушается.

«Аттосекундный импульс можно сравнить с очень короткой вспышкой, необходимой для получения чёткого изображения сверхбыстрого процесса. При прохождении через слишком толстую или плотную плазму эта вспышка растягивается, и „снимок“ теряет резкость. Мы получили практический критерий, который позволяет заранее определить допустимые параметры мишени и избежать большого числа ресурсоёмких расчётов методом проб и ошибок», — отметила первый автор статьи Елизавета Липкова, младший инженер-исследователь Лаборатории суперкомпьютеров в искусственном интеллекте Центра искусственного интеллекта Сколтеха.

В работе также представлена карта, по которой для заданной плотности плазмы можно определить максимальную толщину мишени, допустимую в аттосекундных экспериментах. Такая диаграмма поможет исследователям заранее выбирать параметры установки и оценивать, сохранит ли импульс необходимую длительность после прохождения через плазму.

Результаты исследования задают практические ориентиры для создания более эффективных плазменных источников аттосекундного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также элементов аттосекундной оптики. В перспективе такие системы могут применяться для исследования движения электронов, химических реакций и свойств материалов на предельно малых временных масштабах.

Авторы статьи — младший инженер-исследователь Лаборатории суперкомпьютеров в искусственном интеллекте Центра ИИ Сколтеха Елизавета Липкова, профессор и руководитель Лаборатории вычислительных методов формирования изображений Центра ИИ Сколтеха Дмитрий Дылов, доцент и руководитель Лаборатории суперкомпьютеров в искусственном интеллекте Центра ИИ Сколтеха Сергей Рыкованов, а также профессор Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук Цзинвэй Ван.