瞬間はどのように分割されるか：アト秒（その6）

さて、私たちはフェムト秒を見てきましたが、スペクトルはまだそこで終わりではなく、時間の範囲はさらに進み、アト秒 ( $${10^{–18}}$$ 秒) に至ります。文字通り近年、人々は X 線または遠紫外線パルスの助けを借りてアト秒の範囲に到達しました。つまり、現在では、数百アト秒 (たとえば 300、400 アト秒) の持続時間のインパルスを受信することが実際に既に可能であり、それらの助けを借りて、このスケールで発生するプロセスを研究することができます。

すでに述べたように、アト秒スケールでは原子の動きはまったくなく、一般に電子も静止層になくてもほとんど動かない。 この時間スケールで何らかの形で移動する唯一のものは、原子の内殻電子、つまり、多電子原子の内部の最も高速の内殻の電子です。どの現象がそこで起り、どれが停止していると見なせるかを簡単に評価するために、距離ではなくエネルギーで見ることが有用です。

ここで、量子力学の分野に少し入ります。量子力学では、エネルギーと時間の間にそのような不確定の関係があり、典型的なエネルギー差 E 間の遷移があるプロセスがある場合、このプロセス時間は h/Eよりも大きくなります。ここで、h はプランク定数です。つまり、外側の原子殻で発生する現象、つまり電子ボルトのオーダーに影響を与える現象は、典型的なフェムト秒の時間続きますが、最内殻で発生する現象は、アト秒時間続きます。そして、これは人々がアト秒の範囲に到達し、何かを学ぶことができた仕事の1例です. これはオージェ効果のダイナミクスです。

オージェ効果はかなり単純な効果です。これらは、原子の 2 電子イオン化と X 線光子の吸収です。したがって、光子が衝突すると、電子、たとえば最内殻の電子に吸収される可能性があります。同時に、十分なエネルギーがあれば、この電子は簡単に原子から飛び出して飛び去ることができますよね？
その代わりに、空孔が形成され、それは非常に深く、非常に大きな結合エネルギーを持ち、長くは生きられません. この空孔は、エネルギーのより高い電子の 1 つによって満たされます。つまり、この電子はここに落下し、落下すると、光子を放出します。この光子は常に飛び去るとは限らず、同じ原子内で再吸収されることがあります。外殻電子によって吸収され、オージェ電子と呼ばれるこの外殻の電子も原子から飛び出します。

これは興味深いプロセスであり、原子内を電子密度がどのように流れているかを示しています。そして、理論的な見積もりによると、典型的な多電子原子の場合、これらは数フェムト秒のオーダーの時間、おそらくはそれよりも短い時間です. したがって、それを詳細に追跡するためには、フェムト秒、つまり数百、数百アト秒の内部を見ることができる技術が必要です。

そして、これは数年前に行われた実験の写真で、クリプトン原子の例を使用してこのダイナミクスが研究されました。ここでは、少なくともアト秒範囲で変化する効果を見つけることが根本的に困難ということです。アト秒の範囲では、ほとんどすべてが静止しているためです。ここで、たとえば、ある種の電磁パルスがあり、何か開始するのに1フェムト秒かかります。

しかし、それにもかかわらず、まさにこの事実を利用することができます - 光パルス内に変化する電場があるようにする。さて、ここに実験装置が描かれています。ここでは、二重ミラーの助けを借りて、この実験が実際に行われるこの点に 2 つのパルスが一度に集束されることが示されています。まず、これは非常に短い X 線パルスです。ここでは、スキャンで示されています。これは、このプロセスを開始する短いX線パルス、つまり最初の電子をノックアウトし、残りの電子をこの空孔に落下させ始めることを意味します。そして、これに光パルスが重畳されます。これはもちろん、アト秒に比べて非常に遅いですが、それでも存在します。

したがって、これは、1 番目と 2 番目の電子の飛行が特定の瞬間に発生することを意味します。そして、電子が飛び立つと、突然、光パルスからの電磁界の中にいるように感じられることがわかりました。光パルスの電界内部。そして、この電界、この電子は、電子がどの時点で飛び出したか、つまり電子がこの振動のどのフェーズに落ちたかに応じて、わずかに遅くなります。つまり、この手法を使用すると、少なくとも光波の振動周期の 1/10 を区別できます。つまり、電子が特定の時点で飛び出したか、たとえば 200 アト秒後に飛び出したかに応じて、運動エネルギーの分布がわずかに異なることになります。

これは写真ですが、実際にはこれはシミュレーションです。つまり、ここではおそらくわかりにくいでしょうが、破線は光ビームの電場の強度を示しています。ここの x 軸はフェムト秒の単位であり、ここの y 軸はエネルギー 、これはキロエレクトロンボルト単位の出力電子のエネルギーです。さて、ここでご覧いただけると思いますが、これらの写真は、原子内部のこの深い空孔の寿命について、さまざまな仮定の下で描かれています。たとえば、もしそれが 200 アト秒生きていたとしたら、実験は放出された電子のエネルギーの変動を示す必要があり、これは電気インパルスに対して多かれ少なかれ同相です。500アト秒なら、画像はわずかにぼやけており、1 fs の場合はさらにぼやけています。

つまり、研究者は単にこの現象をコンピューターでシミュレートし、この空孔の寿命に関するさまざまな仮定の下で予想される画像を取得し、実験的に観察された電子エネルギー分布と単純に比較しました。ここで、約 8 フェムト秒の値が得られました。つまり、クリプトンの特定の原子では、最も深い空孔がほぼ同じ時間存続しました。