Учёные за пределами устоявшейся границы мощности повторно продемонстрировали, что при облучении гелия ультрафиолетовым лазером можно получить экспоненциально более энергичные X‑лучи, чем предсказывает стандартная теория. В эксперименте при синхронном освобождении двух электронов энергия, переданная ими обратно в систему, приводит к появлению фотонов с частотами выше обычного порога. Результат публикуется как доказательство того, что поведение электронов в этом процессе может выходить за рамки привычного одной-электронного механизма. Источник видео и выводов — совместная работа TU Wien и University of California, San Diego; заключение обсуждается в контексте публикации в Nature Photonics.

Проект реализован в сотрудничестве TU Wien и UC San Diego и продолжает традицию аттосекундной физики, над созданием которой работали в Венском техническом университете ещё в 1990‑х. Именно методика лазерной генерации, разработанная там, стала основой для идей памяти Нобеля по физике 2023 года, а современный эксперимент расширяет рамки ранее достигнутых пределов. Авторы подчёркивают, что именно вклад TU Wien в теоретико-экспериментальные подходы заложил фундамент для нынешней работы.

Традиционно считается, что генерация сильных гиперсверхкоровых импульсов света начинается с того, что лазерный столбник «прощупывает» один электрон в атоме, который затем ускоряется в поле и возвращается, отдавая энергию в виде высокого диапазона частот до некоторого энергетического порога. За пределами этого порога эмиссия усиливается слабо, так как предсказания обычной теории ограничивают максимум частоты. В новом эксперименте эту границу удалось превзойти за счёт особого взаимодействия двух электронов, что и стало ключом к наблюдаемому эффекту. Исследование опубликовано в Nature Photonics.

Суть эксперимента: исследователи применили мощные ультрафиолетовые лазерные импульсы к атомам гелия и позволили двум электронам вырваться последовательно, но их траектории оставались связанными квантовыми корреляциями. Затем лазер заставлял оба электрона вернуться в атом одновременно, после чего их энергия высвободилась сразу и целиком. По словам ведущего участника Тимно Попмингчевa, такие координированные возвращения могут привести к генерации не только более энергированных фотонов, но и одного фотона с повышенной частотой, если энергии достаточно.

Это и позволило зафиксировать необычный сигнал: в спектре излучения обнаружилась вторая область устойчивого излучения на значительно более высоких энергиях, чем предсказывала обычная теория. Эффект наблюдали именно при гелии; эксперименты с аргоном и неоном дали другой результат, и их внешние электроны не продемонстрировали подобного поведения. Различие между газами служит подтверждением предлагаемой объяснительной модели: у гелия сильные корреляции между двумя электронами, что обеспечивает синхронную высвобождение энергии, тогда как у аргона и неона подобной связи наблюдать не удалось.

Помимо фундаментального интереса, открытие открывает новые возможности для исследования электроно‑электронных взаимодействий внутри атомов и материалов на сверхкратких временных масштабах — от аттосекунд до принципиально новых спектроскопических подходов. Исследователи полагают, что необычное когерентное X‑излучение может служить чувствительным спектроскопическим «датчиком» для корреляций между электронами, а изучение формы спектра и его максимума поможет понять поведение взаимодействующих электронов в квантовых системах. Непреднамеренно это направление может расширить представление о квантовых вычислениях и наноматериалах с точной настройкой свойств.