Udforskning af det ultrasmå og ultrahurtige gennem fremskridt inden for attosecond-videnskab

Et team af forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory er ved at udvikle nye metoder til at undersøge universets små detaljer med ekstraordinære hastigheder.

I tidligere forskning har forskerne udviklet en måde at producere røntgenlaserudbrud, som er flere hundrede attosekunder (eller milliardtedele af en milliardtedel af et sekund) lange. Denne metode, kaldet X-ray laser-enhanced attosecond pulse generation (XLEAP), giver forskere mulighed for at undersøge, hvordan elektroner, der lyner rundt om molekyler, starter nøgleprocesser inden for biologi, kemi, materialevidenskab og mere.

Nu, ledet af SLAC-forskerne Agostino Marinelli og James Cryan, har holdet udviklet nye værktøjer til at bruge disse attosekundsimpulser på banebrydende måder:den første brug af attosekundpulser i pumpe-probe-eksperimenter og produktionen af ​​de mest kraftfulde attosekunds-røntgenimpulser nogensinde rapporteret. Eksperimenterne, udført ved SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfri elektronlaser og offentliggjort i to artikler i Nature Photonics , kunne revolutionere områder lige fra kemi til materialevidenskab ved at tilbyde indsigt i de hurtigste bevægelser inde i atomer og molekyler.

En ny metode til at måle ultrahurtige fænomener

I den første udvikling introducerede forskere en ny tilgang til at udføre "pumpe-probe" eksperimenter med attosecond røntgenimpulser. Disse eksperimenter, der har til formål at måle ultrahurtige hændelser kortere end en billiontedel af et sekund, involverer spændende atomer med en "pumpe"-impuls efterfulgt af at sondere dem med en anden impuls for at observere resulterende ændringer.

Denne teknik gjorde det muligt for forskere at spore og måle elektronbevægelser inden for atomer og molekyler - en kritisk proces, der påvirker kemiske reaktioner, materialeegenskaber og biologiske funktioner. De opnåede dette ved at generere par af laserimpulser i to farver og minutiøst kontrollere forsinkelsen mellem dem til så lidt som 270 attosekunder.

"Denne evne åbner nye muligheder for at studere lysets interaktion med stof på det mest fundamentale niveau," sagde Cryan. "Det er spændende, fordi det har udviklet sig til et praktisk værktøj, der gør os i stand til at se elektrondynamik, der engang var uden for vores rækkevidde. Vi observerer nu processer, der sker på tidsskalaer, der nærmer sig den tid, det tager lys at krydse et molekyle."

I et nyligt papir brugte forskere denne teknik til at observere elektroner, der bevæger sig i realtid i flydende vand. Fremtidige undersøgelser vil anvende denne metode til forskellige molekylære systemer, forfine disse målings nøjagtighed og udvide deres anvendelse på tværs af videnskabelige discipliner.

Oprettelse af højeffekts attosecond-impulser

Den anden udvikling koncentrerede sig om at generere højeffekts attosekund-impulser ved hjælp af en teknik kendt som "super-udstråling", der opnåede effektniveauer på næsten en terawatt. Denne proces involverede en kaskadeeffekt i en røntgen-fri-elektron-laser, der signifikant forstærkede pulsernes effekt.

Den øgede intensitet af disse impulser gør det muligt for forskere at udforske unikke tilstande af stof og være vidne til fænomener, der opstår på endnu kortere tidsskalaer.

"Dette er de mest kraftfulde attosekunder røntgenimpulser, der nogensinde er rapporteret. Intensiteten af ​​disse impulser giver os mulighed for at udforske helt nye regimer inden for røntgenvidenskab," sagde Marinelli. "Vi har skubbet grænserne for røntgenpulsenergien og nået effektniveauer, der åbner nye eksperimentelle riger. Dette resultat blev opnået takket være en speciel type bølge, der bibeholder sin form og hastighed, mens den forplanter sig gennem elektronbunken, dramatisk øge intensiteten og energien af ​​vores pulser."

Forskerne planlægger at forfine denne teknologi yderligere for at forbedre stabiliteten og kontrollen af ​​disse højeffektimpulser med det formål at udvide deres anvendelse på tværs af forskellige videnskabelige områder.

Skuber videnskabelig udforskning fremad

Disse udviklinger flytter grænserne for vores observations- og måleevner og sætter scenen for fremtidige videnskabelige gennembrud, der kan ændre vores forståelse af den naturlige verden.

At observere atomer og elektroner i bevægelse letter design af nye materialer med skræddersyede egenskaber til teknologi, energi og andre områder. At forstå elektronbevægelser under kemiske reaktioner kan også lette intelligente kemiske designprincipper.

"Disse undersøgelser uddyber ikke kun vores forståelse af fysik, men baner også vejen for fremtidige innovationer, der kan transformere vores forståelse af elektrondrevne processer," sagde Cryan. "Hver attosekundspuls, vi genererer, giver et nyt indblik i naturens byggesten og afslører dynamikker, der tidligere var skjult for øje. Vi forventer mange flere spændende opdagelser forude."

Flere oplysninger: Zhaoheng Guo et al., Eksperimentel demonstration af attosecond pumpe-probe spektroskopi med en røntgenfri-elektronlaser, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01419-w

Paris Franz et al., Terawatt-skala attosekunds røntgenimpulser fra en kaskadeformet superradiant fri-elektronlaser, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01427-w

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory