Ученые совершили прорыв в лазерной технологии и анализе материалов

Исследователи обнаружили, что высокоинтенсивные рентгеновские импульсы могут вызывать неожиданное затемнение дифракционных изображений кремниевых кристаллов. Это явление привлекло внимание ученых всего мира, поскольку потенциально оно может привести к значительным достижениям в области лазерных технологий и анализа материалов.

Когда мы освещаем объект, мы, естественно, ожидаем, что чем ярче источник света, тем ярче будет полученное изображение. Это правило справедливо и для ультракоротких импульсов лазерного излучения, но только до определенной интенсивности.

В настоящее время ученые выясняют, почему рентгеновские дифракционные изображения становятся менее яркими при очень высоких интенсивностях рентгеновского излучения. Эти исследования не только углубляют наше понимание взаимодействия света и материи, но и открывают новые возможности для генерации лазерных импульсов с еще более короткой длительностью, чем та, что существует сейчас.

То, что больше света приводит к более яркому изображению, может показаться очевидным, но недавние эксперименты показали, что это не всегда так. Когда кристаллы кремния освещаются сверхбыстрыми лазерными импульсами рентгеновского излучения, получаемые дифракционные изображения сначала становятся ярче, поскольку на образец падает больше фотонов, что свидетельствует о более высокой интенсивности луча.

Однако теперь исследователи обнаружили контринтуитивный эффект: когда интенсивность рентгеновского пучка превышает определенное критическое значение, дифракционные изображения неожиданно ослабевают. Это загадочное явление вызвало любопытство физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков из японских, польских и немецких исследовательских институтов.

Центр RIKEN SPring-8 в Хёго, Институт ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове и Центр лазерной науки на свободных электронах (CFEL) в лаборатории DESY в Гамбурге объединили усилия, чтобы пролить свет на это загадочное явление.

Рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL) играют важнейшую роль в анализе материи. Эти установки генерируют чрезвычайно мощные рентгеновские импульсы длительностью в фемтосекунды (квадриллионные доли секунды). В настоящее время только в нескольких местах в мире имеются рентгеновские установки XFEL, и они используются в основном для рентгенодифракционного анализа. Этот метод предполагает освещение образца импульсом рентгеновского излучения и регистрацию дифрагированного излучения для восстановления кристаллической структуры материала.

Профессор Беата Зяя-Мотыка, специализирующаяся на теоретическом моделировании и компьютерном моделировании взаимодействия сверхбыстрых рентгеновских импульсов с веществом, объясняет: "Интуиция подсказывает нам, что чем больше фотонов, тем четче должно быть дифракционное изображение образца. Это действительно так, но только до определенной интенсивности рентгеновского излучения, обычно составляющей десятки триллионов ватт на квадратный сантиметр. Как только этот порог превышен - что стало возможным лишь недавно - дифракционный сигнал неожиданно ослабевает. Наше исследование - первая попытка объяснить этот неожиданный эффект".

Результаты этого исследования могут произвести революцию в лазерных технологиях и анализе материалов. Поняв, почему высокоинтенсивные рентгеновские импульсы вызывают неожиданное ослабление дифракционных изображений, ученые смогут разработать новые методы повышения производительности лазеров и улучшить методы анализа материалов.