Gennembrud forbedrer i høj grad den ultrahurtige opløsning, der kan opnås med røntgenfrielektronlasere

Et stort internationalt hold af forskere fra forskellige forskningsorganisationer, herunder US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, har udviklet en metode, der dramatisk forbedrer den allerede ultrahurtige tidsopløsning, der kan opnås med X-ray free-electron lasers (XFELs). Det kan føre til gennembrud i, hvordan man designer nye materialer og mere effektive kemiske processer.

En XFEL-enhed er en kraftfuld kombination af partikelaccelerator og laserteknologi, der producerer ekstremt strålende og ultrakorte pulser af røntgenstråler til videnskabelig forskning. "Med denne teknologi, Forskere kan nu spore processer, der finder sted inden for millioner af en milliardtedel af et sekund (femtosekunder) i størrelser ned til atomær skala, " sagde Gilles Doumy, en fysiker i Argonnes Chemical Sciences and Engineering division. "Vores metode gør det muligt at gøre dette til endnu hurtigere tider."

En af de mest lovende anvendelser af XFEL'er har været inden for de biologiske videnskaber. I en sådan forskning, videnskabsmænd kan fange, hvordan biologiske processer, der er fundamentale for livet, ændrer sig over tid, selv før strålingen fra laserens røntgenstråler ødelægger prøverne. I fysik og kemi, disse røntgenstråler kan også kaste lys over de hurtigste processer, der sker i naturen med en lukkertid, der kun varer et femtosekund. Sådanne processer omfatter fremstilling og brydning af kemiske bindinger og vibrationer af atomer på tynde filmoverflader.

I over et årti har XFEL'er leveret intense, femtosekund røntgenpulser, med nylige angreb i sub-femtosekund-regimet (attosekund). Imidlertid, på disse minimale tidsskalaer, det er vanskeligt at synkronisere røntgenpulsen, der udløser en reaktion i prøven, og laserpulsen, der "observerer" den. Dette problem kaldes timing-jitter.

Hovedforfatter Dan Haynes, en ph.d.-studerende ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, sagde, "Det er som at prøve at fotografere slutningen af ​​et løb, når kameraudløseren kan aktiveres når som helst i de sidste ti sekunder."

For at omgå jitterproblemet, forskerholdet fandt på en banebrydende, meget præcis tilgang kaldet "selvrefereret attosecond streaking." Holdet demonstrerede deres metode ved at måle en grundlæggende henfaldsproces i neongas ved Linac Coherent Light Source, en DOE Office of Science User Facility på SLAC National Accelerator Laboratory.

Doumy og hans rådgiver på det tidspunkt, Ohio State University professor Louis DiMauro, havde først foreslået målingen i 2012.

I forfaldsprocessen, kaldet Auger henfald, en røntgenimpuls katapulterer atomkerneelektroner i prøven ud af deres plads. Dette fører til deres udskiftning med elektroner i ydre atomskaller. Når disse ydre elektroner slapper af, de frigiver energi. Den proces kan inducere emission af en anden elektron, kendt som en Auger -elektron. Strålingsskader opstår på grund af både de intense røntgenstråler og den fortsatte emission af Auger-elektroner, som hurtigt kan nedbryde prøven. Ved røntgeneksponering, neonatomerne udsender også elektroner, kaldet fotoelektroner.

Efter at have udsat begge typer elektroner for en ekstern "streaking" laserpuls, forskerne bestemte deres endelige energi i hver af titusindvis af individuelle målinger.

"Fra disse målinger, vi kan følge Augers henfald i tid med en præcision på under femtosekunder, selvom timing-jitteren var hundrede gange større, " sagde Doumy. "Teknikken er afhængig af det faktum, at Auger-elektroner udsendes lidt senere end fotoelektronerne og dermed interagerer med en anden del af den stribede laserpuls."

Denne faktor danner grundlaget for teknikken. Ved at kombinere så mange individuelle observationer, holdet var i stand til at konstruere et detaljeret kort over den fysiske forfaldsproces. Ud fra den information, de kunne bestemme den karakteristiske tidsforsinkelse mellem fotoelektronen og Auger -elektronemissionen.

Forskerne håber på, at selvrefereret streaking vil have en bred indvirkning inden for ultrahurtig videnskab. I det væsentlige, teknikken gør det muligt at udvide traditionel attosecond streaking-spektroskopi til XFEL'er over hele verden, når de nærmer sig attosecond-grænsen. På denne måde selvrefereret streaking kan lette en ny klasse af eksperimenter, der drager fordel af XFEL'ers fleksibilitet og ekstreme intensitet uden at gå på kompromis med tidsopløsningen.