Швейцарский SwissFEL достиг наблюдения квантовых состояний с помощью рентгеновского излучения при сверхнизких температурах

Как недавно сообщили исследователи Швейцарского института Пауля Шеррера (PSI), экспериментальная станция Cristallina швейцарского лазера на свободных электронах (SwissFEL) теперь позволяет наблюдать с помощью рентгеновского рассеяния квантовые состояния, возникающие только при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю.

Симон Гербер (слева) и Билл Педрини (справа) на экспериментальной станции Cristallina швейцарского лазера на свободных электронах (SwissFEL). Благодаря специально изготовленному криостату, подключённому к линии пучка (крайний слева), теперь можно изучать квантовые состояния при сверхнизких температурах. Швейцарский институт Пауля Шеррера PSI/Маркус Фишер

Как сообщается, исследовательской группе недавно удалось достичь в экспериментах температуры 35 милликельвинов, что примерно на 0,035 кельвина выше абсолютного нуля. Это минимальная температура, достижимая на текущей экспериментальной установке. По словам исследователей, насколько им известно, это также самая низкая температура, при которой когда-либо проводились измерения с использованием рентгеновского рассеяния.

Сверхнизкие температуры имеют решающее значение для квантовых исследований. Многие особые квантовые состояния возникают только при температурах, близких к абсолютному нулю. Цель исследовательской группы — с помощью SwissFEL визуализировать квантовые состояния и их динамические процессы в этом температурном диапазоне, чтобы наблюдать переходные явления, которые ранее было трудно зафиксировать напрямую.

Экспериментальный подход основан на принципе «дифракция до разрушения», заимствованном из структурной биологии. Рентгеновские эксперименты обычно приводят к нагреву образца и радиационным повреждениям, однако импульсы рентгеновского лазера на свободных электронах длятся чрезвычайно короткое время — обычно несколько десятков фемтосекунд или даже меньше — и при этом обладают очень высокой интенсивностью, что позволяет зафиксировать мгновенную структурную информацию образца до его нагрева или разрушения.

Исследователи описывают SwissFEL как сверхскоростную камеру для атомного мира: после охлаждения образца до сверхнизкой температуры мощный рентгеновский импульс делает «снимок», фиксируя состояние квантовой системы до того, как рентгеновское излучение подавит его за счёт нагрева. Создание этой экспериментальной станции открывает новое окно наблюдения для изучения низкотемпературных квантовых состояний, квантовой динамики и исследований материалов.