Naukowcy poczynili ogromne postępy w nauce o promieniowaniu rentgenowskim, tworząc attosekundowe impulsy twardego promieniowania rentgenowskiego o dużej mocy i megahercowej częstotliwości powtarzania, co umożliwiło ultraszybkie badanie dynamiki elektronów i nieniszczące pomiary na poziomie atomowym.
Impulsy te są istotne ze względu na ich zdolność do wychwytywania szybkich ruchów elektronów, co prowadzi do potencjalnych zastosowań w krystalografii attosekundowej i ma wpływ na transformację różnych dyscyplin naukowych.
Przełom w technologii impulsów rentgenowskich
Zespół naukowców z European XFEL i DESY dokonał przełomowego postępu w nauce o promieniowaniu rentgenowskim, tworząc attosekundowe twarde impulsy rentgenowskie o dużej mocy i megahercową częstotliwością powtarzania. To osiągnięcie otwiera nowe możliwości badania ultraszybkiej dynamiki elektronów i wykonywania nieniszczących pomiarów w skali atomowej. Naukowcy opublikowali swoje ustalenia 25 listopada Fotonika Przyrody.
Naukowcom z powodzeniem wygenerowano impulsy twardego promieniowania rentgenowskiego o pojedynczym piku, o poziomie energii przekraczającym 100 mikrodżuli i czasie trwania impulsu trwającym zaledwie kilkaset attosekund. Dla kontekstu attosekunda to jedna trylionowa sekundy — skala czasu tak krótka, że umożliwia naukowcom obserwację najszybszych ruchów elektronów w materii.
Nowe możliwości w badaniach w skali atomowej
„Te attosekundowe impulsy rentgenowskie o dużej mocy mogą otworzyć nowe możliwości badania materii w skali atomowej” – mówi Jiawei Yan, fizyk z European XFEL i główny autor badania opublikowanego w czasopiśmie Fotonika Przyrody. „Dzięki tym unikalnym promieniom rentgenowskim możemy wykonywać naprawdę wolne od uszkodzeń pomiary właściwości strukturalnych i elektronicznych. Toruje drogę zaawansowanym badaniom, takim jak krystalografia attosekundowa, umożliwiając nam obserwację dynamiki elektronowej w rzeczywistej przestrzeni”.
Tradycyjne metody generowania takich ultrakrótkich impulsów twardego promieniowania rentgenowskiego wymagały radykalnego zmniejszenia ładunku wiązki elektronów do dziesiątek pikokulombów, co ograniczało energię impulsu i praktyczne zastosowanie. Zespół opracował metodę samoćwierkania, wykorzystując zbiorowe efekty wiązek elektronów i wyspecjalizowanych systemów transportu wiązek w European XFEL. Podejście to umożliwia generowanie attosekundowych impulsów rentgenowskich o mocy szczytowej w skali terawatów i częstotliwości powtarzania w megahercach bez zmniejszania ładunku wiązki elektronów.
Transformacyjny potencjał badań naukowych
„Łącząc ultrakrótkie impulsy z megahercową częstotliwością powtarzania, możemy teraz znacznie szybciej zbierać dane i obserwować procesy, które wcześniej były niewidoczne” – mówi Gianluca Geloni, lider grupy fizyki FEL w European XFEL. „To osiągnięcie obiecuje transformację badań w wielu dziedzinach nauki, szczególnie w zakresie obrazowania cząsteczek białek i materiałów w skali atomowej oraz badania nieliniowych zjawisk rentgenowskich”.
Odniesienie: „Terawatowo-attosekundowy laser na swobodnych elektronach z twardym promieniowaniem rentgenowskim przy dużej częstotliwości powtarzania” autorstwa Jiawei Yan, Weilun Qin, Ye Chen, Winfried Decking, Philipp Dijkstal, Marc Guetg, Ichiro Inoue, Naresh Kujala, Shan Liu, Tianyun Long, Najmeh Mirian i Gianluca Geloni, 25 listopada 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01566-0
