Et nyt vindue ind i en verden af ​​attosecond-fænomener

De er overalt, omkring os og i os. Fænomener, der varer trilliontedele af et sekund, udgør kernen i kemi og biologi. Det er først for nylig, at vi er begyndt at forsøge at registrere deres faktiske forløb nøjagtigt med moderat succes. Fysikere fra Krakow har dog bevist, at det nye vindue til attofysikkens verden kan bygges, hvilket giver en meget lovende udsigt.

Uanset om det er i dybden af ​​en celle eller inde i et reagensglas, sker kemiske reaktioner, der involverer ændringer i konfigurationen af ​​elektroner i atomer og molekyler, med bemærkelsesværdig hastighed. Deres udbredelse og betydning vækker den forståelige nysgerrighed hos videnskabsmænd, som længe har forsøgt at registrere deres udvikling i tide. Nuværende metoder med brug af røntgenstråler, der hidtil er udviklet til at observere fænomener, der varer i attosekunder, står over for høje krav til parametrene for den anvendte strålingsstråle. Situationen vil sandsynligvis forbedres i de kommende år takket være en ny målemetode foreslået af en gruppe videnskabsmænd fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow.

Det er nu muligt at spore fænomenernes forløb lige så hurtigt som bindingen af ​​atomer til molekyler, primært takket være X-Ray Free-Electron Lasers (XFEL). Disse enheder, der kun opererer nogle få steder i verden på grund af deres størrelse og byggeomkostninger, genererer ultrakorte pulser af røntgenstråler, der kun varer et par femtosekunder.

Centre udstyret med XFEL-lasere bruger to grundlæggende måleteknikker kendt som røntgenspektroskopi og røntgendiffraktion. Førstnævnte fokuserer på at analysere ændringer i strålingsspektret under dets interaktion med prøven, mens sidstnævnte undersøger, hvordan røntgenstrålerne spredes på prøven. Begge metoder har samme begrænsning:de tillader os ikke at 'se' processer, der er kortere end pulsvarigheden. Dette er grunden til, at de hurtigste fænomener, der hidtil er observeret ved den europæiske XFEL-laser nær Hamborg, for eksempel varede 5 femtosekunder.

"Et par femtosekunder er ikke særlig lang tid, men det her er stadig ikke atofysikkens verden. For at komme til dette vendte vi os mod kronoskopi, altså en teknik, der analyserer, hvordan pulser ændrer deres form over tid. Vi har vist teoretisk at denne metode med succes kan bruges til ultrakorte røntgenimpulser for at få information om ændringerne i formen af ​​impulserne før og efter interaktion med prøven," siger Dr. Wojciech Blachucki (IFJ PAN), førsteforfatter af papiret i Anvendt videnskab .

I denne publikation er det vist, at det i tilfælde af ultrakorte laserimpulser er muligt at måle deres tidsmæssige struktur, dvs. at få information om impulsformen. Denne tilgang gør det potentielt muligt at udlede fænomener fra atofysikkens verden selv i den nuværende tekniske udvikling af XFEL'er. Hvis laserpulsen skulle vare endda 20 femtosekunder, men informationen om dens tidsmæssige struktur kunne rekonstrueres, for eksempel i 100 punkter, ville det være muligt at bemærke fænomener, der opstår på et tidspunkt på 20/100 =1/5 femtosekund, dvs. , 200 attosekunder.

Det er vigtigt at bemærke, at der på nuværende tidspunkt kunne opnås en tidsopløsning på mindre end et femtosekund, men laserstrålens intensitet skulle reduceres betydeligt. Denne procedure har kraftige bivirkninger. Tiden for bestråling af prøver forlænges til mange timer, hvilket i praksis gør det umuligt at udføre anvendte undersøgelser. Røntgenkronoskopi har ikke denne begrænsning og fjerner kravene til strålingsimpulser ved at bruge en følsom metode til at måle deres tidsmæssige struktur. Efter implementeringen kunne nuværende lasercentre dedikere en del af deres arbejdstid til atosekundmålinger udført for eksterne enheder, for eksempel med tilknytning til industrien.

Der vil dog gå flere år, før røntgenkronoskopi bliver en standard forskningsteknik. Det første skridt hen imod dens implementering vil være at demonstrere, at den gennemsnitlige varighed af laserpulsen før og efter interaktion med prøven er forskellige. Dette ville være en eksperimentel bekræftelse af rigtigheden af ​​metoden beskrevet af de Krakow-baserede fysikere. Først på næste trin ville forskerne fokusere på mere præcis rekonstruktion af tidsstrukturen af ​​impulser før og efter kontakt med prøven.

"Den måleteknik, vi foreslår, er ikke kun begrænset til fri-elektron-lasere, men er universel af natur. Den kan således også med succes anvendes i tilfælde af andre kilder, der genererer ultrakorte røntgenimpulser, såsom ekstremlys. Infrastrukturanlæg beliggende nær Prag," understreger Dr. Jakub Szlachetko (IFJ PAN). + Udforsk yderligere

Mekanismen bag XFEL-induceret smeltning af diamant afsløret