Учёные, работающие с установкой Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) добились значительного прогресса в понимании взаимодействия света с веществом на квантовом уровне, увеличив эффективность фотоионизации в 100 раз. Они успешно создали и изучили редкое состояние двойной вакансии в остове атома сильно ионизированного криптона, когда два внутренних электрона возбуждаются одновременно.

Для достижения этого результата, авторы работы использовали 5000 ультракоротких рентгеновских вспышек в секунду. Когда рентгеновский фотон возбуждает атом или ион, заставляя электрон "остова" (внутренней электронной оболочки) перейти на более высокий энергетический уровень, возникает короткий промежуток времени, когда второй фотон может быть поглощен другим электроном остова, прежде чем образовавшаяся вакансия заполнится. Этот интервал длится всего несколько фемтосекунд (одна фемтосекунда – это 10-15 секунды), и может привести к образованию редкого, дважды возбуждённого состояния.

В ходе эксперимента исследователи работали с сильно ионизированным криптоном Kr26+. Это экстремальная форма элемента, из которой удалены все электроны, кроме десяти. Такое упрощение позволило более чётко отслеживать взаимодействие. Использование ионов криптона оказалось полезным, поскольку оба этапа возбуждения двух электронов остова требовали почти одинаковой энергии фотона. Это позволило использовать одноцветный рентгеновский луч с шириной полосы всего 0,5% для инициирования обоих переходов.

«Такое перекрытие резонансной энергии коренится в релятивистских эффектах, — подчеркнул Мото Тогава (Moto Togawa), научный сотрудник Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) и главный автор исследования. — Они приводят к сдвигу энергетических уровней электронов остова, что обеспечивает идеальный двойной резонанс». Двойное возбуждённое состояние распадается путём испускания электронов через несколько фемтосекунд, создавая более высокое состояние заряда. По сравнению с простой фотоионизацией, этот дважды резонансный путь поглощает более чем в 100 раз больше фотонов, что приводит к гораздо более высокой общей эффективности.

По словам учёных, полученные результаты могут служить эффективным методом возбуждения для будущих экспериментов с временным разрешением, особенно при использовании двухцветного режима. Они также считают, что этот подход можно распространить на эксперименты с жёстким рентгеновским излучением, в которых используются рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFELOs), разрабатываемые на установке.

Работа открывает новые возможности для высокоточных рентгеновских измерений и углубляет понимание взаимодействия света и вещества в экстремальных условиях.