Бактериофаги участвуют в планетарном круговороте серы

Сверхточные спектроскопические исследования — одна из опор всей экспериментальной физики — были до сих пор очень затруднительны в далеком и экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Погрешность измерения частот составляла мегагерцы (в миллионы раз хуже того, что достижимо в видимой части спектра). Новый спектроскопический инструмент, созданный группой из Колорадского университета, производит настоящую сенсацию: его частота держится в пределах 0,1 Гц. Этот прибор не только открывает возможности для революционных спектроскопических измерений, но и представляет собой совершенно новый инструмент для аттофизики — науки, изучающей поведение электронов в атоме на аттосекундном масштабе времен.

Прецизионная спектроскопия и ее трудности


Без точных измерительных приборов физика была бы бессильна. Многие физические явления совсем не бросаются в глаза, а проявляются лишь в виде очень слабых эффектов в поведении той или иной системы. Такие эффекты были обнаружены и изучены только благодаря сверхчувствительным методам наблюдения, которые сейчас есть в арсенале физиков. Роль «королевы» среди них играет спектроскопия — аккуратное измерение частоты электромагнитного излучения, которое отвечает разнице между уровнями энергии в атомах, молекулах, ядрах. Эта разница чувствительна к многочисленным внешним и внутренним эффектам, благодаря чему сверхточное измерение частот позволяет узнать, в каких условиях находятся атомы или какие внутри них действуют физические явления. Применения спектроскопических измерений бесчисленны — отастрофизических открытий до совершенно земных явлений и промышленных процессов и далее вплоть до ядерной физики и проверки фундаментальных физических законов.

Чтобы максимально полно использовать все возможности, которые предоставляет спектроскопия, нужно уметь делать две ключевые вещи: (1) генерировать свет строго определенной частоты и (2) очень точно измерять эту самую частоту.

Решение первой задачи затрудняет один важный фундаментальный закон природы. Напомним, что частота волны f связана с ее периодом колебания Tпростым соотношением: f = 1/T. Скажем, частота 1 ГГц = 109 Гц отвечает периоду 10–9 с = 1 нс. Так вот, строго говоря, волна с абсолютно фиксированной частотой обязана длиться бесконечно долго. Если же волна излучилась в течение какого-то ограниченного времени Δt, то она не может обладать фиксированной частотой — ее основная несущая частота будет размазана на величину Δf = 1/Δt. Эту связь называют соотношением неопределенностей для времени и частоты: чем быстрее излучается волна (то есть чем меньше неопределенность момента излучения), тем больше разброс по частоте. Например, частота колебаний в видимом свете составляет порядка 1015 Гц; соответствующий ей период колебания равен 1 фемтосекунде. Если какое-то возбужденное состояние атома живет, скажем, одну наносекунду и возвращается в основное состояние, испуская при этом фотон, то, значит, частота излученного фотона определена не абсолютно строго, а имеет размазку порядка 1 ГГц, что составляет одну миллионную от самой частоты.

Те же оценки применимы и к источникам света. Если мы хотим с помощью спектроскопических измерений почувствовать сдвиг частоты перехода между двумя уровнями энергии всего на 1 Гц, то нам нужно добиться, чтобы частота лазерного излучения имела относительный разброс не больше 10–15. В силу соотношения неопределенностей лазер должен излучать такой свет не импульсно, а непрерывно в течение по крайней мере секунды. Подчеркнем, эта секунда относится не просто к усредненному свечению лазера (светить долго может какой угодно источник!), а к каждому испущенному фотону. Каждый фотон должен не излучаться одномоментно, а как бы «вытекать» из лазера со скоростью света как минимум в течение одной секунды. Если такую длительную стабильность не обеспечить — например, если лазер мелко дрожит из-за обычных вибраций пола лаборатории или же если внутренняя среда лазера неспособна так долго поддерживать когерентность свечения, — то тогда аккуратно настроиться на нужную частоту не получится.

Что касается второй задачи — измерения частоты, — то тут трудность несколько иного сорта. Пока требуемая точность невысока, частоту можно просто найти, измерив длину волны и поделив на нее скорость света: f = c/λ. Но для измерений с высокой точностью этот метод уже не годится. С другой стороны, для низкочастотного радиоизлучения (скажем, мегагерцы) частоту можно измерить напрямую. Современная электроника обладает достаточным быстродействием и способна просто пересчитать один за другим каждый пик и спад радиоволны в течение сколь угодно длительного времени. Поделив сосчитанное количество циклов волны на всё время измерения, мы получим частоту. Проблема, однако, в том, что таким прямым способом удается измерять частоты вплоть до десятков ГГц (то есть порядка 1010 Гц). А частоты световых колебаний лежат на пять порядков выше, и никакая электроника не способна реагировать так быстро. Одно время в физике была даже забавная ситуация, когда уже существовали сверхстабильные источники лазерного света, но физики не могли определить с нужной точностью, какую же они выдавали частоту излучения!

Пропасть в пять порядков между микроволновым излучением, частоту которого можно измерять напрямую, и оптическим диапазоном, в котором обычно выполняются спектроскопические измерения, физики научились худо-бедно преодолевать в 80-х годах. Делалось это очень сложным способом. Несколько очень стабильных источников излучения в разных диапазонах частот комбинировались друг с другом так, чтобы один источник стабилизировал другой с помощью кратного повышения частоты. Такие цепочки были очень сложны в создании и настройке и могли быть реализованы только в нескольких лабораториях мира.

Революцию на рубеже веков произвел метод «оптической гребенки», разработанный Джоном Холлом и Теодором Хэншом, за который они получили половину Нобелевской премии по физике за 2005 год (см. подробное описание в популярной статье в журнале «Природа»). Суть, вкратце, такова. Если взять импульсный лазер, который выстрелит одним сверхкоротким импульсом света, то его частота — в силу соотношения неопределенностей — будет размазана в широком диапазоне. Но тот же лазер можно заставить выстреливать такими сверхкороткими импульсами постоянно, через строго равные промежутки времени (рис. 2, вверху). Темп выстреливания импульсов при этом задает микроволновой источник с точно известной частотой frep. Такую установку уже нетрудно реализовать даже в небольшой лаборатории. Спектр получившегося излучения — не одного импульса, а всего «паровоза» из многих импульсов — представляет собой гребенку из отдельных очень узких линий излучения (рис. 2, внизу). Эти тонкие линии излучения идут плотным строем почти от нуля и до тех частот, на которых обычно излучает лазер. Расстояние между линиями строго фиксировано и равно частоте повторения импульсов frep. Поэтому если удастся определить частоту одной любой линии излучения, то все остальные частоты получаются простым добавлением frep — пусть даже их придется добавлять многие тысячи раз.













Рис. 2. Импульсное излучение и его спектр


Рис. 2. Лазерное излучение, представляющее собой длинную череду узких и равноотстоящих друг от друга световых импульсов (вверху), имеет спектральное распределение в виде оптической частотной гребенки, состоящей из узких линий излучения, разделенных одинаковыми частотными интервалами, равными частоте чередования импульсов. Такая гребенка позволяет перекинуть мостик между микроволновым и оптическим диапазонами и, в конечном счете, с высокой точностью измерить частоту изучаемого оптического излучения



Направляя свет от источника в спектрограф, физики находят ближайшую к нему линию гребенки, подсчитывают ее порядковый номер, а также измеряют небольшое остаточное отличие от нее — и таким образом измеряют частоту изучаемой линии излучения или поглощения. Поскольку линии в этой гребенке очень узкие, погрешность измерения частоты получается очень маленькой. На рис. 3 показан пример использования этой методики в астрономических измерениях. Благодаря всем этим достижениям, оптическая спектроскопия с точностью порядка 10–15 и лучше стала уже вполне достижима.













Рис. 3. Пример использования частотной гребенки в астрономических исследованиях


Рис. 3. Пример использования частотной гребенки в астрономических исследованиях. Гребенка (череда ярких тонких линий) служит опорной шкалой, с которой можно сравнивать изучаемый спектр, представленный здесь темными вертикальными линиями, и тем самым с высокой точностью измерять их частоту. Изображение с сайта astronomy.swin.edu.au



Экстремальный ультрафиолет


Польза от спектроскопических измерений не ограничивается оптическим диапазоном. Например, многозарядные ионы обладают возбужденными уровнями энергии в десятки электронвольт и выше, а значит, для их спектроскопических измерений требуется не видимый свет, а экстремальный ультрафиолет (XUV, длина волны меньше 120 нм) или даже мягкий рентген (рис. 1). Поэтому возникает совершенно естественное желание повторить все описанные выше достижения, включая оптическую гребенку, но только уже в далеком или экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Такой инструмент стал бы шикарным подарком физикам, изучающим спектроскопию в сильном поле вблизи ядра, сверхбыстрые электронные процессы внутри атома или даже уровни энергии в некоторых ядрах.

Казалось бы, от видимого света до экстремального ультрафиолета — рукой подать; их частоты отличаются всего в несколько раз. Но проблема в том, что источники света тут уже другие, со своими характеристиками, весьма далекими от оптических аналогов. В частности, они обладают очень малым временем когерентности, а значит, неприемлемо большим разбросом частот. Впрочем, оговоримся: этот разброс большой по сравнению с обсуждаемыми в этой новости числами; сам по себе он может быть порядка 10–4, а то и лучше, так что для практических применений такое излучение вполне можно называть монохроматическим. Но для задач прецизионной спектроскопии все эти источники, увы, не годятся.

Если излучить XUV-свет с нужной когерентностью не удается напрямую, можно пойти в обход. Можно взять обычный оптический импульс, а затем «перебросить» его в ультрафиолетовый диапазон многократным повышением частоты. Этого можно добиться с помощью нелинейных оптических эффектов, но не в вакууме, а в среде, например в газовой ячейке. Электромагнитная волна воздействует на вещество периодическим образом, но если отклик среды не пропорционален этой силе, на выходе будет идти излучение не только на исходной, но и на тройной, пятикратной и более высоких частотах. Свежий обзор этого метода можно найти в прошлогоднем томе журнала УФН.

Таким способом XUV-излучение действительно можно получить. Однако на пути к ультрафиолетовой гребенке возникает новая трудность. Нелинейные эффекты становятся существенными только при достаточно мощном световом импульсе. Но мощные световые импульсы трудно повторять с нужной частотой — лазер может их выстреливать тысячи раз в секунду, но никак не сотни миллионов, как это требуется для гребенки. С нужной частотой можно выстреливать слабыми импульсами, но они сами по себе будут недостаточны для генерирования высших гармоник.

Справиться с этой проблемой помогла специальная оптическая схема, разработанная в 2005 году исследовательской группой того же Теодора Хэншаи группой Цзюня Е, ученика Холла. В этой схеме относительно слабый лазерный луч не проходит сквозь газовую камеру однократно, а сначала запускается в резонатор — систему зеркал, замыкающих луч сам на себя. Циркулируя внутри резонатора, световые импульсы накладываются друг на друга, тем самым резко усиливая эффект одного импульса (рис. 4). В результате даже небольшой мощности исходного лазера хватает для того, чтобы вызвать нелинейные эффекты в фокусе световой волны (куда обычно и запускают газовую струю) и достичь генерации высших гармоник.

 

Оставьте свой отзыв!