Смешаем лазер и рентген

Лучи света, будь то солнечные или лазерные, обычно не взаимодействуют и свободно проходят друг сквозь друга. Однако если интенсивность электромагнитных волн очень велика, то при пересечении в определенных средах между ними возникают взаимодействия. Их изучает специальный раздел оптики, называемой нелинейной. Он существует около столетия, а после изобретения лазеров в середине прошлого века и вовсе переживает особенный расцвет.

При определенных соотношениях частот лучей и их направлений среда распространения будет порождать излучение с измененным направлением и длиной волны, то есть цветом, если говорить о видимом диапазоне. При этом происходит перекачка энергии между возбуждающими волнами и/или во вновь родившуюся волну. Такие эффекты, называемые четырехволновыми взаимодействиями на нелинейности третьего порядка, обычно используют для создания новых лазеров и для изучения характеристик самой нелинейной среды, в частности ее кристаллической и электронной структуры.

До сих пор физики исследовали нелинейные эффекты в основном в видимом и близких к нему диапазонах электромагнитных излучений, например в инфракрасном. Команда же ученых из берлинского Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии имени Макса Борна и гамбургского Исследовательского центра по физике частиц, руководимая доктором Хорстом Роттке (Horst Rottke), недавно впервые получила новый вид четырехволнового взаимодействия с участием мягкого рентгеновского излучения.

Взаимодействие ультракоротких импульсов инфракрасного и рентгеновского излучения происходило в монокристаллах LiF. При этом энергия двух фотонов первого перекачивалась в один рентгеновский фотон, меняя его «цвет», или наоборот. Оказалось, что в таком взаимодействии участвуют внутренние электронные оболочки атома лития. Обычно переходы между ними оптически запрещены, то есть в других оптических процессах они обычно не задействованы. Для разных длин падающих рентгеновских волн физики выяснили эффективность перекачки, то есть впервые определили нелинейные восприимчивости кристалла для этих процессов.

Работа представляет как фундаментальный, так и прикладной интерес. Поскольку рентген способен селективно возбуждать электроны внутренних уровней в различных атомах и выбивать их, новый метод позволит изучить поведение и свойства самых разных материалов. Параметры этих процессов важны для фотохимических реакций или генерации носителей тока.

Подход исследователей можно адаптировать для более жесткого рентгена, генерируемого лазерами на свободных электронах, а это позволит селективно возбуждать электронные уровни самых разных атомов периодической системы Менделеева. При этом они могут быть в составе молекул разнообразных материалов. (Science Advances, 8, 20, 2022)