Ett team av forskare vid Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory utvecklar nya metoder för att undersöka universums minsta detaljer i extraordinära hastigheter.
I tidigare forskning har forskarna utvecklat ett sätt att producera röntgenlaserblixtar som är flera hundra attosekunder (eller miljarddelar av en miljarddel av en sekund) långa. Denna metod, som kallas XLEAP (X-ray laser-enhanced attosecond pulse generation), gör det möjligt för forskare att undersöka hur elektroner som zippar runt molekyler startar viktiga processer inom biologi, kemi, materialvetenskap och mycket mer.
Nu har teamet, under ledning av SLAC-forskarna Agostino Marinelli och James Cryan, utvecklat nya verktyg för att använda dessa attosekundpulser på banbrytande sätt: den första användningen av attosekundpulser i pump-probe-experiment och produktionen av de mest kraftfulla attosekundröntgenpulser som någonsin rapporterats. Experimenten, som utfördes vid SLAC:s röntgenfrielektronlaser Linac Coherent Light Source (LCLS) och som publiceras i två artiklar i Nature Photonics, kan revolutionera områden som sträcker sig från kemi till materialvetenskap genom att ge insikter i de snabbaste rörelserna inuti atomer och molekyler.
En ny metod för att mäta ultrasnabba fenomen
I det första utvecklingsarbetet introducerade forskarna en ny metod för att genomföra ”pump-probe”-experiment med attosekund-röntgenpulser. Dessa experiment, som syftar till att mäta ultrasnabba händelser som är kortare än en triljondels sekund, innebär att atomer exciteras med en ”pump”-puls och sedan undersöks med en andra puls för att observera de förändringar som uppstår.
Med den här tekniken kan forskarna spåra och mäta elektronrörelser inom atomer och molekyler – en kritisk process som påverkar kemiska reaktioner, materialegenskaper och biologiska funktioner. Detta åstadkoms genom att generera par av laserpulser i två färger och noggrant kontrollera fördröjningen mellan dem till så lite som 270 attosekunder.
”Den här kapaciteten öppnar upp för nya möjligheter att studera ljusets interaktion med materia på den mest grundläggande nivån”, säger Cryan. ”Det är spännande eftersom det har utvecklats till ett praktiskt verktyg som gör det möjligt för oss att se elektrondynamik som en gång var utom räckhåll för oss. Vi observerar nu processer som sker på tidsskalor som närmar sig den tid det tar för ljus att passera en molekyl.”
I en nyligen publicerad artikel har forskare använt denna teknik för att observera elektroner som rör sig i realtid i flytande vatten. Framtida studier kommer att tillämpa denna metod på olika molekylära system, förfina dessa mätningars noggrannhet och utöka deras tillämpning inom olika vetenskapliga discipliner.
Skapa attosekundpulser med hög effekt
Det andra utvecklingsarbetet fokuserade på att generera attosekundspulser med hög effekt med hjälp av en teknik som kallas ”superradians”, och som uppnådde effektnivåer på nästan en terawatt. Denna process involverade en kaskadeffekt i en röntgenfrielektronlaser, vilket avsevärt förstärkte pulsernas effekt.
Den ökade intensiteten i dessa pulser gör det möjligt för forskare att utforska unika materietillstånd och bevittna fenomen som inträffar på ännu kortare tidsskalor.
”Det här är de mest kraftfulla attosekund-röntgenpulserna som någonsin rapporterats. Intensiteten i dessa pulser gör det möjligt för oss att utforska helt nya områden inom röntgenvetenskapen”, säger Marinelli. ”Vi har flyttat fram gränserna för röntgenpulsenergin och nått effektnivåer som öppnar nya experimentella områden. Detta resultat uppnåddes tack vare en speciell typ av våg som behåller sin form och hastighet när den fortplantar sig genom elektronpaketet, vilket dramatiskt ökar intensiteten och energin i våra pulser.”
Forskarna planerar att ytterligare förfina denna teknik för att förbättra stabiliteten och kontrollen av dessa högeffektspulser, med målet att bredda deras tillämpning inom olika vetenskapliga områden.
Driva den vetenskapliga utforskningen framåt
Denna utveckling flyttar fram gränserna för våra observations- och mätmöjligheter och skapar förutsättningar för framtida vetenskapliga genombrott som kan förändra vår förståelse av den naturliga världen.
Att observera atomer och elektroner i rörelse underlättar utformningen av nya material med skräddarsydda egenskaper för teknik, energi och andra områden. Att förstå elektronernas rörelse under kemiska reaktioner kan också underlätta intelligenta kemiska designprinciper.
”Dessa studier fördjupar inte bara vår förståelse av fysiken utan banar också väg för framtida innovationer som kan förändra vår förståelse av elektrondrivna processer”, säger Cryan. ”Varje attosekundspuls som vi genererar ger en ny inblick i naturens byggstenar och avslöjar dynamik som tidigare varit dold. Vi förväntar oss många fler spännande upptäckter framöver.”
Ytterligare information: Zhaoheng Guo et al, Experimental demonstration of attosecond pump–probe spectroscopy with an X-ray free-electron laser, Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01419-w
Paris Franz et al, Terawatt-scale attosecond X-ray pulses from a cascaded superradiant free-electron laser, Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01427-w
