Физици създадоха първата плазмена леща, която може да фокусира най-кратките светлинни импулси, познати на науката

Учени от Института „Макс Борн“ (MBI) в Берлин и центъра DESY в Хамбург създадоха първата в света плазмена леща, способна да фокусира атосекундни импулси – най-кратките светлинни изблици, познати на науката. Това откритие може да промени самата основа на изследванията в областта на свръхбързата физика.

Атосекундата е една милиардна част от милиардната част от секундата (10-¹⁸ от секундата). Подобни кратки импулси могат буквално да замразят движението на електроните в атомите и материалите, превръщайки невидимите процеси в наблюдаеми кадри. Физиците ги използват, за да изследват как електроните напускат атомите, образуват връзки и предизвикват химични реакции.

Основният проблем беше, че този тип импулси се намират в екстремния ултравиолетов и рентгенов диапазон, където обикновените огледала и лещи не работят. Отразяващите повърхности бързо губят свойствата си, а стъклените лещи поглъщат светлината и разтягат импулсите, което унищожава точността им.

За да преодолеят това ограничение, изследователите се обръщат към плазмата – йонизиран газ, който може да пречупва светлината по съвсем различен начин от твърдите материали. Те подават мощни електрически импулси през водород, затворен в тясна капилярна тръба. Енергийният поток изтласква електроните от атомите и те, отблъсквайки се, образуват плътна обвивка с формата на вдлъбната леща.

На пръв поглед тази структура би трябвало да разсейва светлината, но физиката на плазмата работи по други закони. Резултатът е система, която не разпръсква, а вместо това фокусира атосекундни импулси – без загуба на мощност и скорост.

Експериментите показват, че новата леща може да събира лъчите във фокус в широк диапазон от екстремни ултравиолетови дължини на вълните. А разстоянието до фокуса може да се регулира чрез промяна на плътността на плазмата. Пропускането на светлината надхвърля 80%, което се счита за изключителен резултат при подобни експерименти.

Има и допълнителен бонус: плазмата по естествен начин блокира по-дългите инфрачервени вълни, които обикновено се използват за генериране на аттосекундни импулси. По-рано за това бяха необходими метални филтри, но те очевидно поглъщаха значителна част от енергията.

За да разбере как новата леща влияе върху формата на импулсите, екипът провежда симулации. Без изкривяване проблясъците се разтягали съвсем леко – от 90 до 96 атсосекунди. А в реални условия, при които цветовете на импулсите достигат до фокуса с микроскопична разлика във времето (т.нар. чирп), плазмената леща дори съкратила продължителността на импулсите – от 189 на 165 атсекунди.

С простото си подреждане, високата производителност и регулируемия фокус новата технология открива нова ера в атосекундната наука. Тя ще позволи по-точно да се наблюдава движението на електроните в сложни материали, да се разработят свръхбързи квантови технологии и да се създадат микроскопи, способни да улавят процеси на фундаментално ниво – където времето се измерва в милиардни части от секундата.