Ikke-lineær optik møder røntgenstråler

Den nylige fremkomst af femtosekundrøntgenkilder giver hidtil usete muligheder for strukturelle og dynamiske undersøgelser. Det kræver, imidlertid, manipulering af spektrale egenskaber, som almindeligt udført af ikke-lineær optik ved synlige/infrarøde bølgelængder. Her viser vi det første bevis for selvfasemodulation, en vigtig ikke-lineær effekt i ultrahurtig laservidenskab, i bløde røntgenstråler. Bygger på en sådan effekt, vi demonstrerer, hvordan vi kan indstille spektrale egenskaber i dette bølgelængdeområde, der er kritiske for kerneelektronpumpesonde-spektroskopi og nanoimaging.

Relevansen for radiologi-applikationer er sandsynligvis den mest kendte fordel ved røntgenstråler (keV-energier) med hensyn til synlig stråling (eV-energier) og kan spores tilbage til deres overlegne penetrationsdybde. På et mere grundlæggende punkt, imidlertid, relevansen af ​​dette foton energiområde afhænger af evnen til at sonderne indre skalelektroner (da de har sammenlignelige bindingsenergier) og kortlægge molekylære strukturer på atomskalaen (da typiske interatomiske mellemrum er sammenlignelige med røntgenbølgelængder). Bygger på sådanne evner, det videnskabelige samfund har bestræbt sig på at udvikle røntgenunder picosekundskilder, der kan få adgang til materieegenskaber med en tidsopløsning, der er tilstrækkelig til at få adgang til elementære molekylære bevægelser. Gratis elektronlasere (FEL), i dag tilgængelig på flere store anlæg rundt om i verden, repræsentere en førende kandidat til at generere femtosekund røntgenpulser med høj glans. En af de største udfordringer for at udnytte FEL -kilders enorme potentiale er at udvikle metoder til at indstille spektrale og tidsmæssige stråleegenskaber, en opgave, der sædvanligvis udføres ved synlige bølgelængder, der tyer til ikke-lineær optik.

I et nyt papir udgivet i Letvidenskab og applikationer, et team af forskere fra det italienske teknologiske institut, University of L'Aquila, FERMI Trieste og "Sapienza" Universitet i Rom har vist det første tegn på selvfasemodulation (SPM) i det bløde røntgenregime. Eksperimentet, udført i anlægget FERMI@elettra i Trieste, består i observation af spektral modulering efter samspillet mellem fokuserede FEL-stråler med en meget tynd metallisk folie (100-300 nm).

"Vores eksperiment demonstrerer en ny kontrolknap til spektralformning af FEL -pulser. Blåt til rødt skift ledsaget af stigning i båndbredde kan opnås ved at flytte inputbølgelængden hen over materialets absorptionskant, "forklarer prof. Tullio Scopigno.

Atomabsorberingskanterne i røntgenområdet har skarpe diskontinuiteter:et optisk gennemsigtigt materiale kan absorbere lys og ændre fotonergien med mindre end 1%, tilsvarende frembringelse af specifikke kerneelektron -excitationer.

"Denne første observation af SPM-effekter i det bløde røntgenregime gør det muligt at afsløre specifikke atomære egenskaber på subpicosekundens tidsskala. Især samspillet med et lysinduceret elektronplasma uden for ligevægten, der genereres på femtosekundens tidsskala i tynde metalliske folier, "slutter Dr. Carino Ferrante.

Under absorptionskanten, den observerede SPM induceres af Kerr -effekten, dvs. ved en ændring af det ikke-lineære brydningsindeks, der efterligner pulsintensitetsprofilen, hvilket i sidste ende resulterer i spektral udvidelse, ledsaget af en rødforskydning på grund af valenceelektroners opvarmning. I markant forskel, over kanten, de meget ophidsede kerne -fotoelektroner, der genereres af pulsens forkant, danner et forbigående varmt tæt ioniseret plasma, ansvarlig for et kraftigt fald i brydningsindekset. Følgelig, pulsens bagkant accelereres, hvilket giver anledning til en asymmetrisk tidsmæssig kompression, som på tur, resulterer i et blueshift.

Resultaterne giver et bevis på konceptet for spektral formning af bløde røntgenpulser, en vigtig milepæl i retning af udviklingen af ​​nye protokoller til femtosekundelektronelektronespektroskopier.