Впервые поставлен полный эксперимент для фотоионизации положительно заряженного иона

Исследователи НИИЯФ имени Д. В. Скобельцина МГУ и Тихоокеанского государственного университета (Хабаровск) совместно с зарубежными коллегами из Италии, Германии и Японии впервые сумели определить все квантовомеханические параметры, необходимые для описания фотоионизации положительно заряженного иона. Эта работа важна для изучения нелинейных процессов, возникающих при работе новых источников сверхкоротких ультрафиолетовых и рентгеновских импульсов. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

(Фото: FlashDevelop / Depositphotos) 

Схема эксперимента

Фотоионизацией называют такую ионизацию атомов и молекул, когда они теряют электроны в результате поглощения фотона крайней ультрафиолетовой и рентгеновской области спектра. Чтобы полностью охарактеризовать фотоионизацию, нужно реконструировать все квантовомеханические волновые функции как вылетающих, так и связанных электронов, взаимодействующих с внешним излучением. По фундаментальным законам квантовой механики волновую функцию электрона можно разложить на несколько парциальных волн, амплитуды и относительные фазы которых необходимо определить для полного описания состояния электрона.

Эксперимент, в котором определяют все квантомеханические параметры, необходимые для описания исследуемого процесса, получил название полного. Его концепцию 60 лет назад впервые сформулировал крупный отечественный специалист в области ядерной физики и физики элементарных частиц Я. А. Смородинский: когда они его коллеги анализировали рассеяния нуклона на нуклоне, у них возник вопрос, сколько экспериментов требуется для нахождения всех элементов матрицы рассеяния. Через 10 лет понятие полного эксперимента вошло в атомную физику и долго служило стимулом к исследованиям разнообразных элементарных атомно-молекулярных процессов. Ведь выполнив полный эксперимент, можно по нескольким измеренным параметрам восстановить любую принципиально наблюдаемую в изучаемом процессе величину и с максимально достижимой для квантовой механики точностью проверить теорию. В одном из обзоров по фотоионизации полный эксперимент был даже назван «Священным Граалем».

Обычно полный эксперимент – это на самом деле ряд экспериментов, проводимых в разное время в разных лабораториях и разными методами. Из их результатов получают набор параметров, которые и есть цель полного эксперимента. «Образно говоря, измерение одной отдельной величины – это наблюдение одной проекции, можно сказать, тени от процесса. Но тень может обмануть наблюдателя. Чтобы полностью восстановить объект, наблюдателю нужны разные проекции», – прокомментировали проблему авторы работы, сотрудники НИИЯФ, Алексей Грум-Гржимайло и Елена Грызлова.

Для полного эксперимента необходимы самые современные экспериментальные методы в сочетании с глубоким теоретическим анализом. Новый импульс к развитию полного эксперимента в атомной физике был вызван созданием новых источников высокочастотного излучения, таких, как лазеры на свободных электронах.

Однако до сих пор полные эксперименты выполняли только для процессов ионизации нейтральных атомов и молекул, что недостаточно для понимания физики взаимодействия ультрафиолетового излучения с ионами. Именно поэтому так важен нынешний полный эксперимент по фотоионизации положительно заряженного иона.

Физики исследовали двойную ионизацию атомов неона. Для этого использовали лазер на свободных электронах FERMI (Триест, Италия), который может генерировать перестраиваемые по частоте и поляризации интенсивные ультракороткие импульсы в ультрафиолетовом диапазоне.

Благодаря высокой интенсивности излучения FERMI атом неона последовательно поглощает два фотона с вылетом двух электронов, что приводит к образованию двукратно заряженных ионов. Физики МГУ, которые инициировали само исследование, разработали теоретическое обоснование полного эксперимента и выполнили его численное моделирование. Полную информацию о волновых функциях электронов удалось получить с помощью угловых зависимостей параметров вылетающих электронов. Также удалось полностью реконструировать волновые функции связанных и несвязанных электронов. Такой эксперимент пока возможен лишь на единственном в мире источнике излучения и поэтому уникален. 

По материалам пресс-службы МГУ имени М. В. Ломоносова.