Zespół z japońskiego ośrodka synchrotronowego UVSOR po raz pierwszy zaobserwował bezpośrednio w dziedzinie czasu, jak zanika wewnętrzna wakancja w atomie ksenonu. Do pomiaru użyto par spójnych impulsów światła ultrafioletowego, a cały proces zamknął się w zaledwie kilku femtosekundach.
Czym jest dziura w wewnętrznej powłoce
Gdy wysokoenergetyczne promieniowanie wybije elektron z głębokiej powłoki atomu, powstaje w niej wolne miejsce, czyli tak zwana dziura. Taki stan jest bardzo nietrwały. W przypadku ksenonu, a dokładniej jego powłoki 4d, dominuje rozpad Augera: elektron z wyższej powłoki zajmuje wolne miejsce, a uwolniona energia wyrzuca z atomu kolejny elektron. Z danych literaturowych przyjętych w badaniu wynika, że czas życia takiej dziury to około 6 femtosekund. Femtosekunda to jedna biliardowa część sekundy.
Do połowy pierwszej dekady XXI wieku badacze zwykle wnioskowali o tej dynamice pośrednio, z szerokości linii w widmach fotoelektronów. Później pojawiła się metoda zwana attosecond streaking, która pozwala obserwować procesy Augera w czasie i jest szeroko stosowana. Autorzy nowej pracy proponują jednak inną drogę, opartą na parach spójnych impulsów.
Jak przeprowadzono pomiar
Eksperyment odbył się na linii BL1U synchrotronu UVSOR-III. Dwa undulatory ustawione jeden za drugim, rozdzielone magnesem przesuwającym fazę, wytwarzały pary impulsów o ustalonej relacji fazowej. Energia fotonów wynosiła 93,4 eV. Magnes pozwalał regulować opóźnienie między impulsami z rozdzielczością rzędu attosekund. Impulsy jonizowały elektrony 4d w ksenonie, a analizator półkulisty rejestrował widma fotoelektronów w zależności od opóźnienia.
Fale elektronowe wybijane przez oba impulsy interferowały ze sobą. Powstawały prążki o odstępie 40 attosekund, zgodnym z okresem drgań światła. Im większe opóźnienie, tym słabszy kontrast prążków. Jako odniesienia użyto helu, w którym nie zachodzi porównywalny rozpad. Pokazał on, ile kontrastu traci sama aparatura. Autorzy wiążą to głównie z rozrzutem energii i emitancją wiązki elektronów, a także z niedoskonałym nakładaniem się i różną intensywnością obu undulatorów.
Co pokazały wyniki
- W helu kontrast malał powoli.
- W ksenonie spadał znacznie szybciej, co badacze wiążą z femtosekundowym czasem życia dziury.
- Dodatkowo pojawiły się oscylacje o okresie około 2 fs, wynikające ze spójnego wzbudzenia poziomów rozszczepionych przez oddziaływanie spin-orbita.
Model uwzględniający znane z literatury czasy życia odtworzył zarówno zanik kontrastu, jak i te oscylacje. Wyznaczone rozszczepienie spin-orbita bardzo dobrze zgadzało się z uznanymi wartościami. Według autorów to pierwsze zastosowanie interferometrii fotoelektronowej do krótkożyjącego stanu z dziurą w wewnętrznej powłoce.
Znaczenie dla nauki i dla Polski
Praktyczna wartość metody polega na tym, że dynamikę dziury można śledzić zwykłą spektroskopią elektronową, z użyciem impulsów z synchrotronu. Badacze chcą ją rozszerzyć na cząsteczki i materię skondensowaną. Krótsze fale mogłyby być dostępne dzięki synchrotronom o ultraniskiej emitancji.
To badania podstawowe, więc zwykły czytelnik nie odczuje ich skutków wprost. Wiedza o tym, jak szybko atomy i cząsteczki reagują na promieniowanie, jest jednak ważna dla chemii, fizyki materiałów i badań nad oddziaływaniem światła z materią. Polska ma własne źródło synchrotronowe, SOLARIS w Krakowie. Artykuł nie mówi jednak, czy podobne pomiary da się tam wykonać, bo opisany eksperyment wymagał specyficznego układu dwóch undulatorów z magnesem fazowym w UVSOR. Praca ukazała się w czasopiśmie „Physical Review A”.
Źródło: Phys.org – „Light-pulse pairs reveal the femtosecond decay of an inner-shell hole in xenon atoms”