Lasrar, som en gång bara var science fiction, är nu vardagsföremål som används inom forskning, hälso- och sjukvård och till och med för nöjes skull. Lasrar, som tidigare endast fanns i form av lågenergiljus, finns nu i våglängder från mikrovågor till röntgenstrålning, vilket öppnar upp för en rad olika tillämpningar.
I en studie publicerad i Nature har ett internationellt samarbete under ledning av forskare vid University of Wisconsin–Madison genererat de kortaste hårda röntgenpulserna hittills genom den första demonstrationen av starka laserfenomen.
De resulterande pulserna kan leda till flera potentiella tillämpningar, från kvantröntgenoptik till visualisering av elektronrörelser inuti molekyler.
”Vi har observerat starka laserfenomen i röntgenlaser i inre skal och har kunnat simulera och beräkna hur det utvecklas”, säger Uwe Bergmann, professor i fysik vid UW–Madison och seniorförfattare till studien.
”När man beräknar de röntgenpulser som kommer ut kan de vara otroligt korta – kortare än 100 attosekunder.”
En attosekund är en kvintilliondels sekund, och denna extremt korta pulsvaraktighet är det som kan driva fram nya, avancerade LASER-tillämpningar.
Den inre skalets röntgenlaserprocess liknar optisk laser, men med en mycket kortare våglängd. En initial puls av röntgenfotoner exciterar atomernas inre skalelektroner. Dessa exciterade elektroner avger sedan fotoner med olika röntgenvåglängder när de återgår till sitt oexciterade tillstånd. De utsända fotonerna träffar ibland en redan exciterad atom, vilket leder till en lavin av stimulerad emissionsstrålning (SER i LASER) i en riktning.
Eftersom elektronerna i det inre skalet hålls mycket hårt krävs kraftfulla röntgenpulser, som de från röntgenfrielektronlasrar (XFEL), för att exciterar tillräckligt många av dem samtidigt för att lasering ska uppstå.
De fotoner som de avger i denna process har också röntgenvåglängder. Men XFEL-pulser är i allmänhet ”smutsiga”, eftersom varje puls egentligen består av flera korta, intensiva spikar i tiden och en rad spikar med olika våglängder, vilket begränsar vissa av deras tillämpningar.
”De är helt enkelt inte rena, vackra pulser (som synliga lasrar)”, säger Thomas Linker, gemensam postdoktorand vid UW–Madison och Stanford PULSE Institute vid SLAC och huvudförfattare till publikationen. ”Men det är det enda vi har. Vi måste leva med det.”
I denna studie fokuserade forskarna XFEL-pulserna på ett prov av koppar eller mangan. Ingångspulsen är fortfarande smutsig, men mycket kort och otroligt kraftfull: motsvarande att fokusera allt solljus som träffar jorden på en kvadratmillimeter.
Röntgenfotoner som provet avger i samma framåtriktade riktning som ingångspulsen träffar en instrumentdel som sprider dem efter våglängd, ungefär som ett prisma som sprider synligt ljus till en regnbåge och reflekterar det utifrån vinkeln. Detta spridda röntgenljus läses sedan av en detektor som mäter dess egenskaper.
Först bekräftade forskarna att stimulerad emission sker i provet genom att mäta en stark signal i detektorn.
De märkte något annat med det utsända ljuset. När det gäller ljusspektrumet innehöll det alla förväntade våglängder. Rumsligt upptäckte teamet dock ibland några hotspots istället för den förväntade jämna signalen.
Med hjälp av en 3D-simulering kunde Linker visa vad som ledde till dessa resultat. Hans beräkningar visade att de utsända röntgenstrålarna genomgick en process som skapade filament när de rörde sig genom proverna.
”Det här är filamentering, ett starkt laserfenomen som inom optisk vetenskap uppstår när brytningsindex förändras på grund av detta mycket, mycket starka fält”, säger Linker. ”Det uppstår rumsliga fenomen som leder till de observerade hotspots.”
När teamet ökade intensiteten i sin ingångspuls ytterligare såg de ett annat oväntat resultat: istället för hotspots med en våglängd observerade de spektralbreddning och ibland flera spektrallinjer.
De körde simuleringen på dessa nya data och insåg att detta resultat endast kan förklaras av ett annat laserfenomen som kallas Rabi-cykel, där pulsen är så stark att provet cykliskt absorberar fotoner och avger dem genom stimulerad emission.
De använde sin simulering för att plotta den utsända pulsintensiteten över tid och fann att deras smutsiga ingångspulser resulterade i extremt korta, stimulerade emissionspulser som ibland var 60–100 attosekunder långa – de kortaste hårda röntgenpulser som hittills observerats.
”Vi har genererat hårda röntgenattosekundpulser med detta starka laserfenomen”, säger Linker. ”Den tidsskala på vilken kemiska bindningar bildas och bryts är femtosekunder (1 000 gånger längre än attosekunder). Men om man vill se elektronernas dynamik, hur de rör sig inuti sina banor, är det attosekunder som gäller.”
XFEL har bara funnits i cirka 15 år, så forskarna är fortfarande i en inlärningsfas när det gäller hur de fungerar och hur de kan användas. Denna studie är inte den första som ”renar” hårda röntgenpulser, men den är den första som uppnår pulser på denna tidsskala och visar bevis på ett starkt laserfenomen.
”Det finns så många icke-linjära tekniker och fenomen som lasersamhället använder idag, men väldigt få av dem har vågat prövas med hårda röntgenstrålar”, säger Bergmann.
”Hårda röntgenstrålar är mycket kraftfulla: de har ångströmvåglängder som ger atomär rumslig upplösning och de är känsliga för olika element. Detta arbete är ett steg mot att föra det spännande området verklig laserforskning in i detta kraftfulla hårda röntgenregime.”
Mer information: Uwe Bergmann, Attosecond inner-shell lasing at ångström wavelengths, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09105-9. www.nature.com/articles/s41586-025-09105-9
