Ученые из Института Пауля Шеррера (Швейцария), работающие с лазером SwissFEL, впервые провели сложный эксперимент, используя метод четырехволнового смешивания рентгеновского излучения (ЧСРИ). Этот метод позволяет наблюдать, как электроны внутри атома взаимодействуют друг с другом. Раньше можно было изучать в основном поведение отдельных электронов, теперь — их совместное движение.
Большинство свойств вещества зависит от коллективного поведения электронов, например, способности материала проводить ток или вступать в химическую реакцию. От этих взаимодействий зависит и работа будущих квантовых технологий.
РЧС похоже на ядерный магнитный резонанс, который сегодня ежедневно используется в больницах для проведения МРТ-сканирования. Оба метода используют несколько импульсов для создания и считывания когерентности в веществе.
Процесс ЧСРИ также хорошо изучен в инфракрасном и видимом свете. Он позволяет ученым исследовать движение, вибрацию и взаимодействие молекул друг с другом. Рентгеновские лучи позволяют применить тот же мощный подход в меньшем масштабе и заглянуть в мир электронов.
При ЧСРИ три входящие световые волны взаимодействуют с веществом, создавая четвертую волну. С рентгеновскими лучами проделать это сложно, потому что длина волны очень мала — нужно быть невероятно точным.
По словам ученых, задача управления тремя рентгеновскими лучами похожа на попытку метнуть три дротика с расстояния в километр так, чтобы они попали в мишень с точностью до нанометра. Генерируемый сигнал ЧСРИ также чрезвычайно слаб. Чтобы его вообще увидеть, в эксперименте нужны чрезвычайно яркие и ультракороткие импульсы рентгеновского излучения, которые могут обеспечить только крупные установки рентгеновских лазеров на свободных электронах, такие как SwissFEL.
Команда в SwissFEL нашла решение, позаимствовав подход из обычной лазерной оптики. Вместо того чтобы пытаться с высокой точностью управлять отдельными лучами, они использовали специальную алюминиевую пластину с микроскопическими отверстиями. Рентгеновские лучи проходят через три отверстия, и, если эксперимент удался, в четвертом появляется новый рентгеновский сигнал.
Пока эксперимент проведен на простом газе — неоне. Теперь, когда принцип доказан, ученые смогут перейти к более сложным системам. Следующим этапом работы SwissFEL станет изучение более сложных газов, жидкостей и твердых тел, в которых электроны внутри молекул взаимодействуют более сложным образом.
В будущем эта техника может стать инструментом визуализации для инженеров. Она покажет, где именно в квантовом процессоре происходят потери информации. Это поможет создавать более стабильные и точные квантовые устройства. Метод дает прямой доступ к изучению электронных взаимодействий, от которых зависят современные и будущие технологии.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что физики открыли новую квантовую фазу материи.
