Blanding af laserstråler og røntgenstråler

I modsætning til fiktive lasersværd interagerer rigtige laserstråler ikke med hinanden, når de krydser hinanden - medmindre strålerne mødes i et passende materiale, der muliggør ikke-lineær lys-stof-interaktion. I et sådant tilfælde kan bølgeblanding give anledning til stråler med ændrede farver og retninger.

Bølgeblandingsprocesser mellem forskellige lysstråler er en hjørnesten i området for ikke-lineær optik, som er blevet solidt etableret, siden lasere er blevet bredt tilgængelige. Inden for et passende materiale, såsom bestemte krystaller, kan to laserstråler "føle hinandens tilstedeværelse." I denne proces kan energi og momentum udveksles, hvilket giver anledning til yderligere laserstråler, der kommer ud fra interaktionszonen i forskellige retninger og med forskellige frekvenser, set i det synlige spektralområde som forskellige farver. Disse effekter bruges almindeligvis til at designe og realisere nye laserlyskilder.

Analysen af ​​de fremkommende lysstråler i bølgeblandingsfænomener giver indsigt i arten af ​​det materiale, hvori bølgeblandingsprocessen finder sted. En sådan bølgeblandingsbaseret spektroskopi giver forskere mulighed for at forstå forviklingerne af den elektroniske struktur af en prøve, og hvordan lys kan excitere og interagere med materialet. Indtil videre er disse tilgange dog næppe blevet brugt uden for det synlige eller infrarøde spektralområde.

Et team af forskere fra Max Born Institute (MBI), Berlin og DESY, Hamburg, har observeret en ny slags sådan bølgeblandingsproces, der involverer bløde røntgenstråler. Overlappende ultrakorte pulser af bløde røntgenstråler og infrarød stråling i en enkelt krystal af lithiumfluorid (LiF), så de, hvordan energi fra to infrarøde fotoner blev overført til eller fra røntgenfotonen, hvilket ændrede røntgenstrålens "farve" i en såkaldt tredje-ordens ikke-lineær proces.

Ikke alene observerede de denne særlige proces med røntgenstråler for første gang, men de var også i stand til at kortlægge dens effektivitet, når de ændrede farven på de indkommende røntgenstråler. Det viser sig, at blandingssignalerne kun kan detekteres, når processen involverer en indre skalelektron fra et lithiumatom, der forfremmes til en tilstand, hvor denne elektron er tæt bundet til den ledige plads, den efterlod - en tilstand kendt som exciton. Desuden viser sammenligning med teori, at en ellers "optisk forbudt" overgang af en elektron i den indre skal bidrager til bølgeblandingsprocessen.

Via analyse af denne resonante fire-bølge blandingsproces fik forskerne et detaljeret billede af, hvor den optisk exciterede elektron bevæger sig i sin meget korte levetid. "Kun hvis den exciterede elektron er lokaliseret i umiddelbar nærhed af det hul, den har efterladt, observerer vi firebølge-blandingssignalet," siger Robin Engel, ph.d. studerende involveret i arbejdet, "og fordi vi har brugt en bestemt farve af røntgenstråler, ved vi, at dette hul er meget tæt på lithiumatomets atomkerne."

På grund af røntgenstrålers evne til at excitere indre skalelektroner selektivt ved de forskellige atomarter i et materiale, giver den demonstrerede tilgang forskere mulighed for at spore elektroner, der bevæger sig rundt i molekyler eller faste stoffer, efter at de er blevet stimuleret af en ultrahurtig laserimpuls. Disse processer - elektroner, der bevæger sig mod forskellige atomer efter at være blevet exciteret af lys - er afgørende trin i fotokemiske reaktioner eller anvendelser såsom lysindsamling, f.eks. via fotovoltaik eller direkte solbrændstofgenerering.

"Da vores bølgeblandingsspektroskopi-tilgang kan skaleres til meget højere fotonenergier ved røntgenlasere, kan mange forskellige atomer i det periodiske system exciteres selektivt. På denne måde forventer vi, at det vil være muligt at spore den forbigående tilstedeværelse af elektroner ved mange forskellige atomer af et mere komplekst materiale, hvilket giver ny indsigt i disse vigtige processer," forklarer Daniel Schick, forsker ved MBI.

Forskningen blev offentliggjort i Science Advances . + Udforsk yderligere

Forskere opnår ekstrem-ultraviolet spektral kompression ved fire-bølge-blanding