Japonští vědci přímo v čase sledovali zánik vakance v 4d hladině xenonu

Japonští vědci a jejich spolupracovníci z partnerských institucí dokázali sledovat, jak v čase zaniká vakance v hladině 4d atomu xenonu. Rozpad takzvané díry ve vnitřní slupce se přitom podařilo pozorovat přímo v časové oblasti, nikoli jen odvozovat z energetických spekter. Experiment proběhl na synchrotronu UVSOR Synchrotron Facility, který patří pod Institute for Molecular Science v Japonsku.

Vakance ve vnitřní slupce vzniká tehdy, když je z hlubší elektronové hladiny atomu vyražen elektron, například po pohlcení záření. Takový stav je nestabilní a atom se ho během velmi krátké doby zbavuje, typicky procesem, při němž se uvolněné místo zaplní elektronem z vyšší hladiny a energie se předá dalšímu elektronu. Doba, po kterou díra existuje, se označuje jako její životnost. Tedy biliontina sekundy. Přímé sledování tak rychlého děje patří k technicky náročným úlohám.

Výzkumníci k tomu použili dvojice fázově koherentních pulzů extrémního ultrafialového záření, které poskytuje synchrotron. Fázová koherence znamená, že mezi oběma pulzy existuje pevně daný, přesně řízený fázový vztah. Každý z pulzů uvolňoval z atomů xenonu fotoelektronový vlnový balík. Oba balíky se pak navzájem interferovaly, podobně jako se skládají vlny na hladině, a vytvářely interferenční proužky.

Podstatou měření bylo sledovat, jak se tyto proužky mění v závislosti na zpoždění mezi oběma pulzy. Kontrast interferenčních proužků, tedy rozdíl mezi jejich světlými a tmavými částmi, během několika femtosekund s rostoucím zpožděním klesal. Tento pokles odráží skutečnost, že s prodlužujícím se časovým odstupem se ztrácí vzájemná koherence obou vlnových balíků, protože vakance mezitím zanikla. Rychlost poklesu kontrastu tedy nese informaci o životnosti samotného stavu s dírou v jádře atomu.

Autoři výsledky porovnali s modelem, který vychází z hodnot životnosti díry v jádře převzatých z literatury. Ty se pro hladinu 4d xenonu uvádějí na přibližně 6 femtosekund. Model založený na této hodnotě dokázal rychlý pokles kontrastu interferenčních proužků reprodukovat, což potvrzuje, že naměřená data odpovídají dříve známé životnosti vakance. Experiment tak nabízí nezávislý způsob, jak tuto veličinu ověřit přímo v časové doméně.

Význam práce spočívá především v metodě. Dosavadní poznatky o životnostech vakancí ve vnitřních slupkách vycházely převážně ze šířky spektrálních čar, protože podle principu neurčitosti souvisí krátká životnost stavu s jeho energetickým rozmazáním. Interferometrie s dvojicemi koherentních pulzů umožňuje podívat se na tentýž děj z opačné strany, v čase, a získat tak komplementární informaci. Ukazuje také, že zdroje, jako je synchrotron, dokážou při vhodném uspořádání zkoumat dynamiku na femtosekundových škálách, které se dříve spojovaly spíše s laserovými systémy.

Studie byla publikována v odborném časopise Physical Review A. Zveřejněné údaje se týkají konkrétně xenonu a jeho hladiny 4d, přičemž z uvedených informací nevyplývá, jak přesně by se postup mohl využít pro další prvky či složitější systémy. Autoři si však vybrali dobře prozkoumaný případ, u něhož existují spolehlivé literární hodnoty životnosti, a mohli tak výsledek měření přímo porovnat s očekáváním.

Pozorování rozpadu vnitřní vakance v reálném čase je zajímavé i z obecnějšího hlediska. Procesy, při nichž atom po ionizaci hlubokých hladin uvolňuje energii, hrají roli v řadě oblastí fyziky a chemie, od interakce záření s hmotou po analýzu materiálů pomocí rentgenových metod. Znalost toho, jak rychle takové stavy zanikají, je důležitá pro správnou interpretaci experimentů, které s nimi pracují.

Práce vědců z UVSOR a jejich partnerů tak představuje příklad toho, jak lze s využitím fázově koherentních pulzů extrémního ultrafialového záření a interference fotoelektronových vlnových balíků sledovat velmi rychlé atomární děje. Rychlý pokles kontrastu proužků během několika femtosekund se podařilo vysvětlit jednoduchým modelem založeným na životnosti kolem 6 femtosekund, což dodává výsledku přesvědčivost.