Første attosekund-timing i et kilometer bredt laser-mikrobølge-netværk

Forskere ved DESY har oprettet verdens mest præcise 'metronom' til et kilometer bredt netværk. Timingsystemet synkroniserer et 4,7 kilometer langt laser-mikrobølge-netværk med 950 attosekunder præcision. Et attosekund er en femtedel af et sekund, eller en milliontedel af en milliontedel af en milliontedel af et sekund. Sådanne installationer kan give takten til optagelse af ultrahurtige røntgenbilleder af dynamiske processer i en verden af ​​molekyler og atomer. Det tysk-amerikanske team omkring førende DESY-videnskabsmand Prof. Franz X. Kärtner fra Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) i Hamborg rapporterer præstationen i det videnskabelige tidsskrift Lys:Videnskab og applikationer .

"Ekstrem timingnøjagtighed er vigtig for mange forskningsområder, "siger ph.d. -studerende Kemal Şafak fra Kärtners gruppe, en af ​​hovedforfatterne til papiret. "For eksempel, udfordrende geodesyopgaver kræver signalsynkronisering med picosekundpræcision, hvilket er en billionion af et sekund. Højpræcisionsnavigation og multi-teleskoparrays til astronomi har brug for endnu en højere præcision på op til 40 femtosekunder. "Et femtosekund er en kvadrilliondel af et sekund, eller 1000 attosekunder.

Forskningscentre som DESY, der arbejder med røntgenfri-elektronlasere (XFEL'er), har til formål at tage øjebliksbilleder af ultrahurtige processer i nanokosmos, for eksempel strukturel dynamik i biomolekyler eller kemiske reaktioner. "Røntgenstråler giver fremragende rumlig opløsning på atomernes skala, "forklarer Şafak." Udfordringen er at opnå den nødvendige tidsmæssige opløsning på omfanget af attosekunder, hvor vigtige molekylære og atomære processer finder sted. "

DESY's banebrydende frielektronlaser FLASH har allerede en imponerende timing-præcision på hele 30 femtosekunder. Dette er vigtigt for såkaldte pumpesondeeksperimenter, hvor en dynamisk proces-f.eks. en kemisk reaktion-startes med en laserpuls og analyseres med en anden laserpuls efter en veldefineret forsinkelse. Gentagelse af eksperimentet med langsomt stigende forsinkelsestider giver en række øjebliksbilleder og skaber en super slowmotion-film af reaktionen eller processen, der undersøges. Uden synkronisering mellem impulserne, dynamikken kan ikke løses klart i filmen.

"Hvis vi kan opnå endnu bedre præcision, dette ville love radikalt ny videnskab ved at kaste lys over molekylære og atomiske processer, der sker på det samme tidsrum. Dette forventes at revolutionere mange forskningsområder fra strukturbiologi til materialevidenskab og kemi til grundlæggende fysik, "forklarer Kärtner, som også er professor i fysik ved University of Hamburg og fortsætter med at køre aktive forskningsprogrammer ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), hvor han begyndte at arbejde på højpræcisions timing distributionssystemer for mere end et årti siden.

"Faciliteter som XFEL'er og laserbaserede attoscience-centre kræver systemdækkende synkronisering på attosekund-niveau af snesevis af optiske og mikrobølgesignaler, ofte over kilometerdistancer, "tilføjer Kärtner. Til dette formål, forskerne har udviklet et optisk timing distributionssystem, der bruger ultralav-støj-pulstoget fra en mode-låst laser som sit timingsignal. Ved hjælp af stabiliserede fiberoptiske links, timingsignalet overføres over en lang afstand fra et centralt sted til flere slutstationer, hvor effektiv og robust synkronisering realiseres med eksterne optiske og mikrobølge kilder.

Ved at udvikle nye ultrahurtige timingsdetektorer og omhyggeligt undertrykke fiberlinelineariteter sammen med grundlæggende støjbidrag, forskerne har været i stand til at opnå en timing præcision på 950 attosekunder i et 4,7 km langt laser-mikrobølge-netværk i 18 timer. "Så vidt vi ved, det er første gang, at der er opnået bedre synkronisering end et enkelt femtosekund mellem fjerntilsluttede lasere og mikrobølgeoscillatorer på en facilitetsdækkende skala i en længere periode, "siger Şafak.

"Det laser-mikrobølgenetværk med attosekundpræcision gør det muligt for næste generations XFEL'er og andre videnskabelige faciliteter at fungere med en hidtil uset timing-nøjagtighed, hjælper dem med at udfolde deres fulde potentiale, "understreger Kärtner." Dette vil drive nye videnskabelige bestræbelser på at lave atom- og molekylære film på det samme tidspunkt. og åbner derved mange nye forskningsområder inden for biologi, udvikling af lægemidler, kemi, grundlæggende fysik og materialevidenskab. Udover, denne teknik forventes også at fremskynde udviklingen inden for mange andre grænseforskningsområder, der kræver høj tidsopløsning, såsom sammenligning af ultrastabile optiske ure, gravitationsbølge-astronomi og sammenhængende optiske antennearays. "