Ny maskine til at sondere den ultrahurtige bevægelse af stof

Forskere har etableret en ny højfrekvent laserfacilitet ved University of Tokyo. Den sammenhængende ekstreme ultraviolette lyskilde kan afsløre detaljer af biologiske eller fysiske prøver med hidtil uset klarhed. Det giver også mulighed for undersøgelse af tidsafhængige fænomener såsom ultrahurtige kemiske reaktioner. Eksisterende faciliteter til sådanne undersøgelser kræver nødvendigvis enorme partikelacceleratorer og er uoverkommelige for mange forskere. Denne nye facilitet skulle i høj grad forbedre adgangen for en bred vifte af forskere.

Ultraviolet (UV) lys fra solen hjælper kroppen med at producere D-vitamin og får solpaneler til at generere strøm, og røntgenstråler kan bruges til medicinsk billeddannelse for at finde brækkede knogler eller andre tilstande. Men ud over disse aspekter, UV-lys og røntgenstråler er også væsentlige værktøjer til undersøgelse af den fysiske verden. Forskere bruger disse former for lys til at afsløre detaljer om biologiske, kemiske og fysiske prøver såsom deres makeup, struktur og adfærd.

To slags lys, der er særligt anvendelige til avancerede undersøgelser af hurtigt virkende fænomener, såsom visse kemiske reaktioner eller biologiske processer, er kohærente ekstreme ultraviolette (XUV) og bløde røntgenimpulser. Disse er begge meget præcise former for lys med fint kontrollerede parametre, beslægtet med laserimpulser, afgørende for at udføre gode strenge eksperimenter. Imidlertid, der er nogle ulemper ved, hvordan disse bjælker er lavet.

"Faciliteter til at producere sammenhængende XUV og bløde røntgenstråler er enorme maskiner baseret på partikelacceleratorer - som mindre versioner af Large Hadron Collider i Europa, " sagde professor Katsumi Midorikawa fra UTokyo Institute for Photon Science and Technology og RIKEN Center for Advanced Photonics. "I betragtning af disse faciliteters sjældenhed og omkostningerne ved at køre eksperimenter der, det udgør en barriere for mange, der måtte ønske at bruge dem. Det var det, der fik mig selv og mine kolleger hos UTokyo og RIKEN til at skabe en ny slags facilitet, som vi håber vil være langt mere tilgængelig for et større antal forskere at bruge."

Den nye XUV kilde facilitet er meget, meget mindre end nogen, der er kommet før den. Det er anbragt inde i et relativt beskedent laboratorium under jorden på Tokyos universitet. Størstedelen af ​​maskinen er en 5 x 2 meter vakuumbeholder, der rummer en 100 meter lang ring, eller resonator, ned, hvor et højeffekt laserlys er lagret. På to steder på denne spole er lommer af sjældne gasser, der ændrer karakteristikaene for den passerende laser. Dette resulterer i de to separate stråler af XUV og bløde røntgenstråler, som støbes på prøver, der undersøges. Lys, der reflekteres fra prøverne, aflæses derefter af højhastighedsbilledsensorer.

"Det, der virkelig er nyt ved vores tilgang, er, at XUV- og bløde røntgenimpulser er ekstremt korte, men forekommer ved meget høje frekvenser, i området megahertz, eller millioner af cyklusser i sekundet, " sagde Midorikawa. "For perspektiv, etablerede XUV-anlæg, der bruger synkrotronstrålingsimpulser i megahertz-området, har længere udbrud, der er mindre egnede til at løse dynamiske fænomener. Og dem, der bruger såkaldt røntgenfri elektronlaserkilder, har korte impulser, men tilbyder lave frekvenser på omkring 10 hertz til 100 hertz. Så vores anlæg tilbyder det bedste fra begge verdener, med den ekstra fordel, at den kun er en brøkdel af størrelsen og med langt lavere driftsomkostninger."

Denne nye XUV-kilde tilbyder ultrakorte pulser, nyttig til at undersøge hurtige fænomener, og høje frekvenser, nyttig til at undersøge stoffets struktur og kemiske egenskaber. Dette er muligt på grund af den proces, der skaber pulserne, når laseren interagerer med gassen. Det kaldes højordens harmonisk generering, og anlægget er det første af sin slags, der er i stand til at producere flere XUV og bløde røntgenstråler.

"Jeg har arbejdet inden for XUV-generering og -anvendelse i 30 år. Selvom højordens harmonisk generering bragte et gennembrud på dette område, Genereringseffektiviteten og pulsgentagelseshastigheden var stadig utilstrækkelig til mange applikationer, " sagde Midorikawa. "Da jeg foreslog ideen om denne facilitet til mine kolleger, de var øjeblikkeligt interesserede, og vi var i stand til at skaffe et passende budget til at fuldføre det. Vi håber alle, at dette vil åbne døren til ny forskning fra materialeforskere, kemikere og biologer, som endelig kan få adgang til dette fantastiske og kraftfulde efterforskningsværktøj."