Røntgenstråler fra bordlasere giver forskere mulighed for at kigge gennem vinduet

Det vil nu være meget lettere at studere elektronernes flygtige handlinger i organiske materialer, takket være en ny metode til generering af hurtige røntgenstråler.

Teknikken betyder, at avancerede målinger af hurtige reaktioner nu vil være mulige i fysiklaboratorier rundt om i verden, uden at skulle vente med at bruge dyrt og knappe udstyr. Det kunne bruges, for eksempel, at studere og forbedre lyshøstteknologier som solpaneler og vandkløvere.

Ved 'bløde' røntgenstråler, ud over rækkevidden af ​​ultraviolet lys, slå et objekt, de absorberes stærkt af nogle slags atomer og ikke andre. I særdeleshed, vand er gennemsigtigt for disse røntgenstråler, men kulstof absorberer dem, gør dem nyttige til billeddannelse af organiske og biologiske materialer.

Imidlertid, en udfordring har været at generere meget hurtige bløde røntgenstråler. At skabe pulser af røntgenstråler, der kun varer en tusindedel af en milliontedel af en milliontedel af et sekund, ville give forskere mulighed for at forestille sig ekstremt hurtige bevægelser af elektroner, afgørende for at bestemme, hvordan ladning rejser og reaktioner opstår.

Hurtige bløde røntgenstråler er blevet skabt med store faciliteter, såsom multi-milliarder dollar, der koster frielektronlasere, men nu har et forskerhold fra Imperial College London genereret hurtige og kraftige hurtige bløde røntgenpulser ved hjælp af standard laboratorielasere. Metoden, som kan producere lyse bløde røntgenpulser, der varer hundredvis af attosekunder (femtonedele af et sekund), udgives i dag i Videnskab fremskridt .

Med den nye teknik, forskere vil være i stand til at se elektronernes bevægelse på deres naturlige tidsplan, giver dem et dynamisk billede af de mindste og hurtigste reaktionstrin.

Seniorforfatter professor Jon Marangos, fra Institut for Fysik på Imperial, sagde:"Styrken ved denne teknik er, at den kan bruges af mange fysiklaboratorier rundt om i verden med lasere, de allerede har installeret.

"Denne opdagelse giver os mulighed for at foretage målinger på ekstreme tidsskalaer for første gang. Vi er ved grænserne for, hvad vi kan måle, se hurtigere processer end nogensinde, der er vigtige for videnskab og teknologi. "

At generere røntgenstråler i et laboratorium kræver spændende atomer, indtil de frigiver fotoner-lyspartikler. Normalt, atomer i en lang, dispergeret sky er spændt i rækkefølge, så de udsender fotoner i 'fase', hvilket betyder, at de tilføjer og skaber en stærkere røntgenpuls. Dette er kendt som fasematching.

Men når man forsøger at generere bløde røntgenstråler på denne måde, effekter i skyen af ​​atomer defokerer laseren kraftigt, forstyrre fasematchning.

I stedet, teamet opdagede, at de havde brug for en tynd, tæt sky af atomer og korte laserpulser. Med denne opsætning, mens fotonerne ikke kunne forblive i fase over en lang afstand, de var stadig i fase over en kortere distance og i kort tid. Dette førte til uventet effektiv produktion af de korte bløde røntgenpulser.

Holdet målte og simulerede yderligere de nøjagtige effekter, der forårsager høj harmonisk generation i denne situation, og ud fra dette var i stand til at forudsige de optimale laserbetingelser for at skabe en række røntgenstråler.

Lederforsker Allan Johnson, fra Institut for Fysik på Imperial, sagde:"Vi har formået at kigge ind i det, der var før den relativt sorte boks af blød røntgengenerering, og brug disse oplysninger til at bygge en røntgenlaser på et bord, der kan konkurrere med fodboldbanefaciliteter. Viden er bogstaveligt talt magt i dette spil. "

Teamet på Imperial planlægger at bruge teknikken til at studere organiske polymermaterialer, især dem, der høster solens stråler for at producere energi eller for at splitte vand. Disse materialer er under intensiv undersøgelse, da de kan levere billigere vedvarende energi.

Imidlertid, mange i øjeblikket anvendte materialer er ustabile eller ineffektive, på grund af virkningen af ​​elektroner, der er spændt af lys. En nærmere undersøgelse af disse elektroners hurtige interaktioner kan give værdifuld indsigt i metoder til forbedring af solceller og katalysatorer.