Возбуждение, рассеяние и релаксация электронов — важнейшие процессы, определяющие взаимодействие материи со светом. Их временные параметры влияют на образование или разрыв химических связей, движение заряда и энергии, а также на свойства молекул и материалов. Понимание этой динамики требует аттосекундного разрешения, поскольку электронные возбуждения и динамика [ 1 ] происходят в масштабах десятков аттосекунд [ 2 ]. С момента первого наблюдения в реальном времени фемтосекундного времени жизни вакансии M-оболочки в криптоне в 2002 году [ 3 ], аттосекундная наука позволила провести новаторские исследования электронного туннелирования [ 4–7 ] , фотоэмиссии [ 8–12 ], сверхбыстрого переноса заряда в молекулах [ 13–17 ] , локализации электронов [ 18–21 ] , электронной динамики [ 22–28 ] и многочастичной динамики в конденсированном состоянии [ 29–31 ] .Расширение диапазона аттосекундных импульсов до мягкого рентгеновского излучения (SXR, >124 эВ) особенно эффективно, поскольку спектроскопия основных уровней обеспечивает специфичность элементов и селективность по месту расположения. Эта возможность позволяет проводить исследования внутриатомного и внутримолекулярного переноса энергии с аттосекундным разрешением [ 32–34 ] , структурных перестроек , вызванных зарядом [ 35 , 36 ], переходных изменений химической реактивности [ 37 ], неадиабатической динамики [ 38–40 ], фотоповреждения органических веществ [ 41 ] , а также динамики носителей и экситонов [ 23 , 29 , 42 ]. Важно отметить, что аттосекундные импульсы SXR позволяют получить доступ к основным краям поглощения типа ядро-оболочка, имеющим решающее значение для химии, биологии и органической электроники, таким как K-края углерода, азота и кислорода, тем самым предоставляя новый однозначный способ исследования сложных многочастичных взаимодействий между фотонами, носителями заряда и ядрами [ 29 , 30 , 43 ].За последнее десятилетие коротковолновые и средневолновые инфракрасные излучатели продвинули генерацию высоких гармоник (ГВГ) [ 44 , 45 ] в диапазон SXR [ 46–51 ]. Ранние исследования ГВГ с использованием Ti:сапфировых лазеров доказали возможность генерации фотонов с энергией в кэВ [ 52 ] , хотя и с крайне низкой эффективностью. Только пондеромотивное масштабирование ГВГ [ 53 ] с помощью излучателей большей длины волны позволило добиться гораздо более эффективной генерации фотонов в водном окне (от 284 до 530 эВ; [ 49 ] ) и вплоть до диапазона кэВ [ 36 ]. Для достижения этой цели потребовался существенный прогресс [ 49 , 54 ] для преодоления неблагоприятного масштабирования длины волны отклика отдельных атомов (λ −5 до λ −9 ) [ 55–57 ] путем понимания динамики ионизации при беспрецедентных давлениях газа [ 48 , 54 , 58 ] для достижения эффективного фазово-согласованного генерации высоких гармоник [ 59–62 ]. Это понимание потребовало взаимодействия при давлениях от нескольких до десятков бар, которые могут быть получены с помощью капилляров или тщательно разработанных целевых систем , поддерживающих стабильные, эффузивные газовые мишени. Эти инновации открыли долгожданные новые возможности, такие как первая когерентная спектроскопия SXR [ 24 , 47 , 63 ]. Одновременно с этими достижениями, генерация высоких гармоник в диапазоне SXR привела к ожиданиям генерации еще более коротких, изолированных аттосекундных импульсов [ 64–69 ] , что столкнулось с новыми проблемами из-за значительно уменьшенного потока фотонов в SXR [ 57 ] , а также трудностями с фотоэлектронной спектроскопией и методами восстановления импульсов [ 70 , 71 ]. Ключевые проблемы в измерениях полос [ 72–74 ] аттосекундного импульса SXR включают эмиссию электронов из нескольких оболочек измерительного газа [ 70 ] и ограничения методов восстановления [ 75 , 76 ] для точного извлечения огибающей электрического поля импульса SXR. Ранние исследования сообщали о достижении режима SXR с длительностью импульсов, близкой к атомной единице времени (24 ас) [ 70 , 77 , 78 ].Для точной метрологии импульсов необходимо использовать комбинацию стационарных и нестационарных фильтров для восстановления амплитуды электрического поля [ 79 , 80 ] аттосекундного импульса; в противном случае можно получить только спектр или недодискретизированную временную траекторию. Хроноциклические методы, такие как метод частотно-разрешенной оптической стробирующей модуляции для полной реконструкции аттосекундных импульсов (FROG-CRAB) [ 67 ], являются хорошо зарекомендовавшими себя методами, которые комбинируют стационарные и нестационарные фильтры для извлечения огибающей электрического поля [ 81 ]. FROG-CRAB в своей первоначальной форме основан на приближении центрального импульса (CMA); поэтому его следует использовать с осторожностью при работе с широкими полосами пропускания SXR. Интерферометрические методы в частотной области, такие как RABBITT [ 82 ], PROOF [ 83 , 84 ] и iPROOF [ 85 ], избегают CMA, но ограничены слабыми полосовыми полями и длинными инфракрасными импульсами. В результате точная реконструкция чрезвычайно коротких, т.е. широкополосных, импульсов SXR вместе с их полосовыми полями остается сложной задачей, и было предложено множество альтернатив [ 51 , 71 , 86–91 ]. Одним из решений этой проблемы является обобщенный алгоритм проекции с преобразованием Волкова (VTGPA) [ 92 ] , который формулирует восстановление как метод оптимизации методом наименьших квадратов без преобразования Фурье и без использования CMA. Метод VTGPA дополнительно включает элементы матрицы дипольного перехода процесса фотоэмиссии. Этот метод снижает вычислительные затраты, повышает устойчивость к шуму и обеспечивает сходимость примерно за 20 минут на современном вычислительном оборудовании, что делает его практичным инструментом для характеризации аттосекундных экспериментов по рентгеновскому излучению.Используя метод VTPGA, мы измерили изолированный аттосекундный импульс длительностью менее атомной единицы времени (24,2 ас), достигающий 19,2 ас. Центральная энергия фотона и спектральная ширина полосы пропускания превосходят показатели предыдущих демонстраций и простираются в окно SXR воды, достигая до 390 эВ, устанавливая новый эталон для генерации и характеризации аттосекундных импульсов. Наличие такого импульса знаменует собой значительный прогресс для аттосекундной науки и сверхбыстрых исследований, учитывая его короткую длительность и широкую когерентную полосу пропускания для спектроскопии [ 43 ]. Покрывая ключевые края поглощения легких элементов, они позволяют проводить элемент-специфическую аттосекундную спектроскопию релаксации внутренних оболочек [ 12 , 93–95 ], оже-распада и коррелированной динамики носителей заряда и ядер в газах, жидкостях и твердых телах [ 13 , 15 , 17 , 18 , 20 , 40 , 43 ]. Они также открывают новую главу в химических исследованиях, от сверхбыстрой миграции заряда в биомолекулах [ 33 , 35 , 36 , 40 , 96 , 97 ] до структурных переходов в конденсированном состоянии и вызванных светом фазовых изменений в коррелированных материалах. Благодаря тому, что аттосекундная наука выходит за пределы атомной единицы времени и попадает в «водное окно», эта работа предоставляет важный инструмент для изучения материи в ее самых фундаментальных временных и пространственных масштабах.
Мы продемонстрировали генерацию когерентных аттосекундных импульсов SXR длительностью 19,2 ас, что значительно короче атомной единицы времени. Эти импульсы центрированы на 243 эВ, имеют спектр, простирающийся до 390 эВ, и рекордный поток фотонов 4,8 × 10¹⁰ фотонов в секунду в момент генерации. Соответствующий поток фотонов в 10%-ной полосе пропускания на краю K-оболочки углерода при 284 эВ составляет 4,1 × 10⁹ фотонов в секунду. Субатомный временной масштаб и когерентность сверхширокого спектра открывают захватывающие новые возможности для исследования атомной, молекулярной и твердотельной физики, таких как динамика внутренних и валентных электронов, или для изучения многочастичной физики в коррелированных системах и неадиабатического переноса энергии в молекулярных комплексах. Наши результаты демонстрируют замечательные возможности настольной аттосекундной технологии и закладывают основу для ее широкого применения в фундаментальной и прикладной науке.