Как расщепляют мгновение

Иванов Игорь Пьерович

Аттосекунды

Так. Значит, дальше. Хорошо. Ну, фемтосекунды мы прошли, но на этом спектр еще не заканчивается, диапазон времен идет дальше. Следующими идут аттосекунды (1 ас = 10^–18 с). Аттосекундный диапазон — это нечто совсем уже передовое, то есть буквально последние годы люди только-только залезли в аттосекундный диапазон с помощью импульсов рентгеновского или далекого ультрафиолетового излучения. То есть сейчас действительно уже можно получать импульсы длительностью в сотни аттосекунд — скажем, 300, 400 аттосекунд — ну и с помощью них изучать процессы, которые происходят тоже на этом масштабе.

Ну,

как я уже говорил, на аттосекундном масштабе уже никакого движения атомов совершенно нет, да и электроны, в общем-то, уже почти неподвижны, даже если они не в стационарных слоях. Единственное, что хоть как-то движется на этих масштабах, — это самые-самые внутренние электроны, то есть самые быстрые, самые внутренние электроны в многоэлектронных атомах. И здесь полезно подчеркнуть, что для того чтобы просто оценить, какие явления там происходят, а какие можно считать остановившимися, полезно смотреть не на расстояния, а полезно смотреть на энергии, которые используются в этих процессах.

Значит, здесь мы немножко уже залезаем в область квантовой механики. В квантовой механике есть такое соотношение определенности между энергией и временем, которое можно сформулировать так, что если у вас есть какой-то процесс, в котором у вас имеются переходы между энергиями с типичной разностью Е, то этот процесс у вас не может длиться меньше, чем h делить на Е, где h — постоянная Планка. И примерная линейка пересчета вот такая, то есть по порядку величины явления, которые протекают на внешних атомных оболочках, то есть затрагивают порядка электронвольт, длятся типичное время фемтосекунды. Явления, которые происходят на самых внутренних оболочках, длятся типичное время аттосекунды. И вот пример одной из работ, в которой люди залезли прямо в аттосекундный диапазон и смогли что-то узнать. Это динамика Оже-эффекта.

Оже-эффект — это достаточно простой эффект. Это двухэлектронная ионизация атома и поглощение рентгеновского фотона. Значит, когда у вас попадает какой-то фотон, он может поглотиться электронами, например самым внутренним электроном. При этом, если энергии достаточно, этот электрон может просто вылететь из атома и улететь, да? На его месте образуется вакансия, она очень глубокая, у нее очень большая энергия связи и она не может жить долго. Эта вакансия заполняется каким-либо из более высоких электронов, то есть этот электрон падает сюда, и, когда он падает, он испускает свой фотон. Так вот, этот фотон не всегда улетает прочь, а иногда может перепоглотиться вновь внутри этого же атома — скажем, каким-нибудь совсем внешним электроном. И тогда этот совсем внешний электрон, который называется Оже-электрон, тоже вылетает из атома. И энергия этих двух электронов — первичного и Оже-электрона — она скоррелированная и она связана с энергией этого падающего фотона.

Значит, это интересный процесс, который рассказывает вам о том, как у вас перетекают электронные плотности внутри атома. И теоретические оценки говорят о том, что — ну, для типичных многоэлектронных атомов — это времена порядка единиц фемтосекунд, может быть даже меньше. Поэтому для того, чтобы в деталях его проследить, требуется техника, с помощью которой мы можем заглянуть внутрь фемтосекунды, то есть в сотни, хотя бы в сотни аттосекунд.

И вот картинка из работы, выполненной несколько лет назад, в которой эта динамка была изучена на примере атома криптона. Значит, суть здесь такая. Вообще, на самом деле, здесь уже становится принципиально сложным найти хоть какой-нибудь эффект, который бы, ну, менялся в аттосекундном диапазоне. Потому что в аттосекундном диапазоне почти всё уже стоит, почти всё уже неподвижно. Вот, скажем, если есть у вас какой-нибудь электромагнитный импульс, то за одну фемтосекунду он только-только успеет начаться. Да. Поэтому трудно от него что-либо ожидать.

Но, тем не менее, этот сам факт можно использовать —

что внутри оптического импульса есть меняющееся электрическое поле. Используется это таким образом. Значит, ну, здесь экспериментальная установка нарисована, здесь просто показано, что с помощью двойного зеркала вот в эту точечку, где этот эксперимент, собственно, и протекает, фокусируется сразу два импульса. Во-первых, это очень короткий рентгеновский импульс — здесь вот он на развертке показан. Значит, короткий рентгеновский импульс, который и инициирует этот процесс, то есть он выбивает первый электрон и запускает падение остальных в эту вакансию. И на это накладывается оптический импульс, который очень, конечно, медленный по сравнению с аттосекундами, но тем не менее он есть.

Так вот, значит, вылет первого и второго электронов происходит в какой-то конкретный момент времени. И оказывается, что, когда вот электрон только вылетает, он вдруг ощущает себя внутри электромагнитного поля от светового импульса. Внутри электрического поля светового импульса. И это электрическое поле этот электрон слегка подталкивает — ну, или притормаживает — в зависимости от того, в какой момент времени вылетел электрон, то есть в какую именно фазу этого колебания попал электрон. Вот. То есть с помощью этой методики можно, по крайней мере, различить 1/10 от периода колебания световой волны. То есть в зависимости от того, электрон вылетел в какой-то определенный момент времени или спустя, скажем, 200 аттосекунд, у него уже будет слегка другое распределение по кинетической энергии.

Вот. Здесь показана картинка, но на самом деле это моделирование, то есть здесь — наверное, плохо видно — штрихами показана интенсивность электрического поля в оптическом луче. По оси Х здесь единицы фемтосекунд, а по оси Y здесь, по-моему, энергия... да, это энергия выходящих электронов в килоэлектронвольтах. Ну и здесь видно, что, да, вот эти картинки нарисованы при разных предположениях о времени жизни вот этой глубокой вакансии внутри атома. Скажем, если бы она жила 200 аттосекунд, то эксперимент должен был бы показать вот такое колебание энергии вылетевших электронов, которое более или менее в фазе относительно электрического импульса. Вот. Если 500 ас, то картинка чуть смазывается, если 1 фс — она смазывается еще больше, и т. д.

То есть исследователи просто промоделировали это явление на компьютере, получили ожидаемые картинки, которые были бы при разных предположениях о времени жизни этой вакансии, и просто сравнили затем с экспериментально наблюдаемыми распределениями по энергии электронов. Вот. Ну и получили величину порядка 8 фемтосекунд. То есть в конкретном атоме криптона самая глубокая вакансия жила примерно столько времени.

Зептосекунды

И на этом спектр тоже не кончается, диапазон времен. Есть еще более мелкие процессы, более быстрые процессы, которые протекают на еще более мелких единицах времени. Эти единицы времени называются зептосекунды, 1 зс это 10^–21 секунды. На зептосекундном масштабе уже, конечно, нет никаких движений ни атомов, ни даже электронов. И электроны, и атомы стоят. Всё, что может происходить на этом масштабе, — это ядерные реакции. То есть мы уже залезли вглубь ядра.

Значит, можно оценить типичное время, за которое нуклон, двигающийся с типичной ядерной кинетической энергией, проходит диаметр ядра. Это оказывается порядка 1 зептосекунды. Это дает нам примерную оценку того, сколько протекают ядерные реакции, если, скажем, у вас родилось какое-то ядро в столкновении и тут же распалось. Если оно не сдерживается никакими силами, то оно распадается примерно за зептосекунду. Если же у вас есть какие-то дополнительные силы или стимулы для этого ядра немножко пожить, то есть чуть-чуть быть постабильнее, то его время жизни будет по крайней мере на несколько порядков больше, чем зептосекунды.