Forskare vid DESY har skapat världens mest exakta "metronom" för ett kilometer brett nätverk. Timingsystemet synkroniserar ett 4,7 kilometer långt laser-mikrovågsnätverk med 950 attosekunder precision. En attosekund är en femtiondel av en sekund, eller en miljonedel av en miljonedel av en miljonedel av en sekund. Sådana installationer kan ge takten för inspelning av ultrasnabba röntgenbilder av dynamiska processer i molekylernas och atoms värld. Det tysk-amerikanska teamet kring ledande DESY-forskaren Prof. Franz X. Kärtner från Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) i Hamburg rapporterar prestationen i den vetenskapliga tidskriften Ljus:Vetenskap och applikationer .

"Extrem timing är noggrann för många forskningsområden, "säger doktoranden Kemal Şafak från Kärtners grupp, en av tidningens huvudförfattare. "Till exempel, utmanande geodesyuppgifter kräver signalsynkronisering med picosekundprecision, vilket är en biljonedel av en sekund. Högprecisionsnavigering och multiteleskoparrayer för astronomi behöver ännu högre precision på upp till 40 femtosekunder. "En femtosekund är en kvadriljondel av en sekund, eller 1000 attosekunder.

Forskningscentrum som DESY som arbetar med röntgenfrielektronlasrar (XFEL) syftar till att ta ögonblicksbilder av ultrasnabba processer i nanokosmos, till exempel strukturell dynamik i biomolekyler eller kemiska reaktioner. "Röntgen ger utmärkt rumslig upplösning på atomernas skala, "förklarar Şafak." Utmaningen är att uppnå den nödvändiga tidsupplösningen på attosekundernas skala, där viktiga molekylära och atomära processer äger rum. "

DESY:s banbrytande frilektronlaser FLASH har redan en imponerande precision på hela femtosekunder på hela anläggningen. Detta är viktigt för så kallade pumpsond-experiment, där en dynamisk process-till exempel en kemisk reaktion-startas med en laserpuls och analyseras med en annan laserpuls efter en väldefinierad fördröjning. Upprepa experimentet med långsamt ökande fördröjningstider ger en serie ögonblicksbilder och skapar en super slowmotion-film av reaktionen eller processen som undersöks. Utan synkronisering mellan pulserna, dynamiken kan inte lösas klart i filmen.

"Om vi ​​kan uppnå ännu bättre precision, detta skulle lova radikalt ny vetenskap genom att belysa molekylära och atomära processer som sker på attosekundens tidsskala. Detta förväntas revolutionera många forskningsområden från strukturbiologi till materialvetenskap och kemi till grundläggande fysik, "förklarar Kärtner, som också är professor i fysik vid University of Hamburg och fortsätter att driva aktiva forskningsprogram vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), där han började arbeta med högprecisions timing distributionssystem för mer än ett decennium sedan.

"Anläggningar som XFEL och laserbaserade attoscience-center kräver systemövergripande synkronisering på attosekundnivå av dussintals optiska och mikrovågssignaler, ofta över kilometersträckor, "tillägger Kärtner. För detta ändamål, forskarna har utvecklat ett optiskt timing distributionssystem som använder ultraljud-brus pulståg från en mode-låst laser som sin tidssignal. Med hjälp av stabiliserade fiberoptiska länkar, tidssignalen överförs över ett långt avstånd från en central plats till flera slutstationer, där effektiv och robust synkronisering realiseras med fjärroptiska och mikrovågskällor.

Genom att utveckla nya ultrasnabba tidtagningsdetektorer och noggrant undertrycka fiberlinjäriteter tillsammans med grundläggande bullerbidrag, forskarna har kunnat uppnå en precision på 950 attosekunder i ett 4,7 km långt laser-mikrovågsnätverk i 18 timmar. "Så vitt vi vet, det är första gången som synkronisering bättre än en enda femtosekund har uppnåtts mellan avlägsna läge-låsta lasrar och mikrovågsoscillatorer på en anläggningsövergripande skala under en längre tid, "säger Şafak.

"Laser-mikrovågsnätet med attosekundprecision gör det möjligt för nästa generations XFEL och andra vetenskapliga anläggningar att fungera med en aldrig tidigare skådad tidsnoggrannhet, hjälper dem att utveckla sin fulla potential, "understryker Kärtner." Detta kommer att driva nya vetenskapliga ansträngningar för att göra atom- och molekylärfilmer vid samma tidsperiod, och därmed öppna många nya forskningsområden inom biologi, läkemedelsutveckling, kemi, grundläggande fysik och materialvetenskap. Förutom, denna teknik förväntas också påskynda utvecklingen inom många andra gränsforskningsområden som kräver hög tidsupplösning, såsom jämförelse av ultrastabila optiska klockor, gravitationsvågs astronomi och koherenta optiska antennmatriser. "