Forskere opfinder en måde at se attosekonde elektronbevægelser med en røntgenlaser

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har opfundet en måde at observere elektroners bevægelser med kraftige røntgenlaser bursts på kun 280 attosekunder, eller milliarder af en milliarddel af et sekund, lang.

Teknologien, kaldet røntgenlaserforstærket attosekundpulsgenerering (XLEAP), er et stort fremskridt, som forskere har arbejdet hen imod i årevis, og det baner vej for banebrydende undersøgelser af, hvordan elektroner, der kører hurtigt rundt om molekyler, initierer afgørende processer inden for biologi, kemi, materialevidenskab og meget mere.

Teamet præsenterede deres metode i dag i en artikel i Natur fotonik .

"Indtil nu, vi kunne præcist observere bevægelser af atomkerner, men de meget hurtigere elektronbevægelser, der faktisk driver kemiske reaktioner, blev sløret, "sagde SLAC -videnskabsmanden James Cryan, en af ​​papirets hovedforfattere og en efterforsker ved Stanford PULSE Institute, et fælles institut for SLAC og Stanford University. "Med dette fremskridt, vi vil kunne bruge en røntgenlaser til at se, hvordan elektroner bevæger sig rundt, og hvordan det sætter scenen for den kemi, der følger. Det skubber grænserne for ultrahurtig videnskab. "

Undersøgelser af disse tidsplaner kunne afsløre, for eksempel, hvordan optagelse af lys under fotosyntese næsten øjeblikkeligt skubber elektroner rundt og initierer en kaskade af meget langsommere begivenheder, der i sidste ende genererer ilt.

"Med XLEAP kan vi skabe røntgenpulser med den helt rigtige energi, der er mere end en million gange lysere end attosekundpulser med lignende energi før, "sagde SLAC -videnskabsmanden Agostino Marinelli, XLEAP -projektleder og en af ​​papirets hovedforfattere. "Det lader os gøre så mange ting, som folk altid har ønsket at gøre med en røntgenlaser-og nu også på tidsmæssige attosekunder."

Et spring til ultrahurtig røntgenvidenskab

Et attosekund er en utrolig kort periode - to attosekunder er til et sekund, da et sekund er i forhold til universets alder. I de seneste år, forskere har gjort store fremskridt med at skabe attosekundrøntgenpulser. Imidlertid, disse pulser var enten for svage, eller også havde de ikke den rigtige energi til at komme i gang med hurtige elektronbevægelser.

I løbet af de sidste tre år har Marinelli og hans kolleger har fundet ud af, hvordan en røntgenlasermetode, der blev foreslået for 14 år siden, kunne bruges til at generere pulser med de rigtige egenskaber-en indsats, der resulterede i XLEAP.

I forsøg udført lige før besætningerne begyndte at arbejde på en større opgradering af SLACs Linac Coherent Lightsource (LCLS) røntgenlaser, XLEAP-teamet demonstrerede, at de kan producere præcist timede par attosekundrøntgenpulser, der kan sætte elektroner i bevægelse og derefter registrere disse bevægelser. Disse snapshots kan sættes sammen til stop-action-film.

Linda Young, en ekspert i røntgenvidenskab ved DOE's Argonne National Laboratory og University of Chicago, som ikke var involveret i undersøgelsen, sagde, "XLEAP er et virkelig stort fremskridt. Dens attosekonde røntgenpulser med hidtil uset intensitet og fleksibilitet er et gennembrudsværktøj til at observere og kontrollere elektronbevægelser på individuelle atomsteder i komplekse systemer."

Røntgenlasere som LCLS genererer rutinemæssigt lysglimt, der varer et par milliontedele af en milliarddel af et sekund, eller femtosekunder. Processen starter med at oprette en stråle af elektroner, som er bundtet i korte bundter og sendt gennem en lineær partikelaccelerator, hvor de får energi. Rejser med næsten lysets hastighed, de passerer gennem en magnet kendt som en bølger, hvor noget af deres energi omdannes til røntgenstråler.

Jo kortere og lysere elektronbundterne er, jo kortere røntgenstråler de skaber, så en fremgangsmåde til fremstilling af attosekundrøntgenpulser er at komprimere elektronerne til mindre og mindre bundter med høj spidslysstyrke. XLEAP er en smart måde at gøre netop det på.

Fremstilling af attosekund røntgen laserpulser

På LCLS, holdet indsatte to sæt magneter foran bølgeren, der tillod dem at forme hver elektronbunke til den nødvendige form:en intens, smal spids indeholdende elektroner med en bred vifte af energier.

"Når vi sender disse pigge, som har pulslængder på omkring et femtosekund, gennem bølgeren, de producerer røntgenpulser, der er meget kortere end det, "sagde Joseph Duris, en SLAC-videnskabsmand og medforfatter af papir. Pulserne er også ekstremt kraftfulde, han sagde, hvor nogle af dem nåede en halv terawatt spidseffekt.

For at måle disse utroligt korte røntgenpulser, forskerne designede en særlig enhed, hvor røntgenstrålerne skyder gennem en gas og fjerner nogle af dets elektroner, at oprette en elektronsky. Cirkulært polariseret lys fra en infrarød laser interagerer med skyen og giver elektronerne et spark. På grund af lysets særlige polarisering, nogle af elektronerne ender med at bevæge sig hurtigere end andre.

"Teknikken fungerer på samme måde som en anden idé implementeret på LCLS, som kortlægger tiden i vinkler som armene på et ur, "sagde Siqi Li, en medforfatter af papir og nylig Stanford Ph.D. "Det giver os mulighed for at måle fordelingen af ​​elektronhastigheder og retninger, og derfra kan vi beregne røntgenpulslængden. "

Næste, XLEAP -teamet vil yderligere optimere deres metode, hvilket kunne føre til endnu mere intense og muligvis kortere pulser. De forbereder sig også på LCLS-II, opgraderingen af ​​LCLS, der vil affyre op til en million røntgenpulser i sekundet-8, 000 gange hurtigere end før. Dette vil give forskere mulighed for at lave eksperimenter, de længe har drømt om, såsom undersøgelser af individuelle molekyler og deres adfærd på naturens hurtigste tidsskalaer.