Tilfældighed åbner portene til attophotografiens land

En af de sidste forhindringer, der hindrer fotografering og filmning af processer, der finder sted på en skala af attosekunder, dvs. milliardtedele af en milliardtedel af et sekund, er forsvundet. Nøglen til dets fjernelse ligger i den tilfældige natur af de processer, der er ansvarlige for dannelsen af ​​røntgenlaserimpulser.

Der er kun få røntgenlasere i verden i dag. Disse sofistikerede enheder kan bruges til at registrere selv ekstremt hurtige processer, såsom ændringer i atomernes elektrontilstande. Impulserne genereret af moderne røntgenlasere er allerede korte nok til at kunne overveje at tage attofotos eller endda attofilm. Imidlertid, hvad der stadig var et problem var selve røntgenoptikken. Når en ultrakort røntgenimpuls forlader laseren, hvori den blev skabt, det kan forlænges i tid over en halv snes gange.

En international gruppe af fysikere under opsyn af Dr. Jakub Szlachetko og Dr. Joanna Czapla-Masztafiak fra Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow og Dr. Yves Kayser fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt i Berlin har vist sig i Naturkommunikation at røntgenoptik ikke længere skal være en hindring. Publikationen er resultatet af forskning udført ved Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser ved SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Californien.

"Den bedste måde at slippe af med problemer med røntgenoptik var... at slippe af med røntgenoptik, " griner Dr. Szlachetko. "I stedet for at løse problemet, vi fandt en vej uden om det. Det er interessant, at vi erstattede optikken ... ved en tilfældighed. Bogstaveligt talt! Vi har vist, at meget bedre parametre end de nuværende røntgenlaserimpulser kan opnås ved dygtig brug af processer af stokastisk karakter."

Det er ikke det første tilfælde i røntgenlaserens historie, når fysikken selv kommer designere til hjælp. I klassiske lasere, nøgleelementet er den optiske resonator. Dette er et system af spejle, der kun styrker fotoner med en bestemt bølgelængde, bevæger sig i en bestemt retning. Røntgenlasere blev i lang tid anset for umulige at konstruere på grund af manglen på spejle, der var i stand til at reflektere røntgenstråler. Denne forhindring blev elimineret, da det blev bemærket, at resonatoren kunne erstattes... med relativistisk fysik alene. Når en elektron accelereret til en hastighed tæt på lysets hastighed passerer langs et system af mange skiftevis orienterede magneter, den bevæger sig ikke i en lige linje, men bevæger sig rundt om det, mister energi på samme tid. Relativistiske effekter tvinger derefter elektronen til at udsende højenergifotoner ikke i nogen tilfældig retning, men langs det originale forløb af elektronstrålen (deraf navnet:Free-Electron Laser — FEL).

De store forhåbninger, der er forbundet med røntgenlasere, skyldes, at de kan bruges til at registrere kemiske reaktioner. Hver enkelt laserimpuls kan give information om den aktuelle elektrontilstand i det system, der observeres (atom eller molekyle). På samme tid, pulsenergien er så høj, at umiddelbart efter optagelse af billedet, de oplyste objekter ophører med at eksistere. Heldigvis, observationsprocessen kan gentages mange gange. Billederne indsamlet under en længere session gør det muligt for videnskabsmænd at rekonstruere alle stadier af den undersøgte kemiske reaktion nøjagtigt.

"Situationen kan sammenlignes med forsøg på at fotografere begivenheder af samme type med et flashkamera. Når vi tager nok billeder af et tilstrækkeligt antal af de samme begivenheder, vi kan bruge dem til at konstruere en film med høj nøjagtighed, der viser, hvad der sker under en enkelt begivenhed, "forklarer Dr. Czapla-Masztafiak og forklarer:" Problemet er, at de pulser, der genereres i røntgenlasere, opstår i spontan selvforstærkende stimuleret emission og ikke kan kontrolleres fuldstændigt. "

Impulsernes spontane karakter betyder, at i røntgenlasere er parametrene for efterfølgende impulser ikke helt ens. Pulserne vises en gang tidligere, en gang senere, de adskiller sig også lidt i fotonernes energi og deres antal. I den præsenterede analogi, dette ville svare til en situation, hvor efterfølgende billeder tages med forskellige flashenheder, ud over, aktiveret på tilfældige tidspunkter.

Den uundgåelige tilfældighed af røntgenimpulser tvang fysikere til at montere yderligere optisk diagnostisk udstyr i FEL-lasere. Som resultat, selvom laseren genererede en original puls af attosekundes varighed, den blev udvidet med røntgenoptik til femtosekunder. Nu viser det sig, at for at registrere de elektroniske tilstande af atomer eller molekyler på en måde, der tillader rekonstruktion af kemiske reaktioner, impulser med præcist kontrollerede parametre er ikke nødvendige.

"Ved at fjerne røntgenoptik fik vi også mulighed for at bruge ekstremt højenergiimpulser til at studere ikke-lineære effekter. Det betyder, at atomer begynder at være gennemsigtige for røntgenstråler på et tidspunkt, hvilket igen er forbundet med en stigning i absorption i et andet strålingsområde, " forklarer Dr. Szlachetko.

Den nye metode vil blive introduceret i samarbejde med IFJ PAN i eksperimenter udført med både nuværende røntgenlasere:European XFEL nær Hamborg (Tyskland) og SwissFEL i Villigen (Schweiz). Arbejdet med at teste den nye teknik i forbindelse med kemiske eksperimenter blev udført i tæt samarbejde med Dr. Jacinto Sa fra Institut for Fysisk Kemi ved det polske videnskabsakademi i Warszawa og Universitetet i Uppsala.

I forbindelse med den foreslåede teknik, det er værd at understrege, at der i tilfældet med klassisk optik er nogle rent fysiske begrænsninger relateret til opløsningen af ​​de optiske instrumenter, for eksempel den berømte diffraktionsgrænse. Der er ingen fysiske begrænsninger i den nye metode - for der er ingen optik. Så, hvis røntgenlasere vises med endnu kortere pulser end dem, der aktuelt genereres, den nye teknik kan med succes bruges sammen med dem.