Att studera elektronernas flyktiga verkan i organiska material kommer nu att bli mycket lättare, tack vare en ny metod för att generera snabba röntgenstrålar.

Tekniken innebär att avancerade mätningar av snabba reaktioner nu kommer att vara möjliga i fysiklaboratorier runt om i världen, utan att behöva vänta med att använda dyr och knapp utrustning. Det kan användas, till exempel, att studera och förbättra ljusskördsteknologier som solpaneler och vattenspridare.

Vid "mjuka" röntgenstrålar, utanför området för ultraviolett ljus, slå ett föremål, de absorberas starkt av vissa typer av atomer och inte andra. Särskilt, vatten är transparent för dessa röntgenstrålar, men kol absorberar dem, gör dem användbara för avbildning av organiska och biologiska material.

Dock, en utmaning har varit att generera mycket snabba mjuka röntgenstrålar. Att skapa pulser av röntgenstrålar som bara varar en tusendels av en miljonedel av en sekund av en sekund skulle göra det möjligt för forskare att avbilda elektronernas extremt snabba rörelser, avgörande för att bestämma hur laddningsresor och reaktioner uppstår.

Snabba mjuka röntgenstrålar har skapats med stora anläggningar, till exempel att flera miljarder dollar kostar frielektronlasrar, men nu har ett forskargrupp från Imperial College London genererat snabba och kraftfulla snabba mjuka röntgenpulser med hjälp av vanliga laboratorielaser. Metoden, som kan producera ljusa mjuka röntgenpulser som varar hundratals attosekunder (femtondelar av en sekund), publiceras idag i Vetenskapliga framsteg .

Med den nya tekniken, forskare kommer att kunna se elektronernas rörelse på deras naturliga tidsskala, ger dem en dynamisk bild av de minsta och snabbaste reaktionsstegen.

Senior författare professor Jon Marangos, från Institutionen för fysik vid Imperial, sade:"Styrkan i denna teknik är att den kan användas av många fysiklaboratorier runt om i världen med lasrar som de redan har installerat.

"Denna upptäckt kommer att göra det möjligt för oss att göra mätningar på extrema tidsskalor för första gången. Vi är vid gränserna för vad vi kan mäta, se snabbare processer än någonsin viktiga för vetenskap och teknik. "

Att generera röntgenstrålar i ett labb kräver spännande atomer tills de släpper fotoner – ljuspartiklar. I vanliga fall, atomer i en lång, dispergerat moln exciteras i sekvens så att de avger fotoner i "fas", vilket betyder att de läggs ihop och skapar en starkare röntgenpuls. Detta kallas fasmatchning.

Men när man försöker generera mjuka röntgenstrålar på det här sättet, effekter i molnet av atomer avlägsnar starkt lasern, stör fasmatchning.

Istället, teamet upptäckte att de behövde en tunn, tätt moln av atomer och korta laserpulser. Med denna inställning, medan fotonerna inte kunde stanna i fas över en lång sträcka, de var fortfarande i fas över en kortare sträcka och en kort tid. Detta ledde till oväntat effektiv produktion av de korta mjuka röntgenpulserna.

Teamet mätte och simulerade ytterligare de exakta effekterna som orsakar hög övertonsgenerering i denna situation, och utifrån detta kunde förutsäga de optimala laserförhållandena för att skapa en rad röntgenstrålar.

Ledande forskare Allan Johnson, från Institutionen för fysik vid Imperial, sa:"Vi har lyckats titta in i det som var före den relativt svarta lådan för mjuk röntgengenerering, och använd den informationen för att bygga en röntgenlaser på ett bord som kan konkurrera med fotbollsplaner. Kunskap är bokstavligen makt i det här spelet. "

Teamet på Imperial planerar att använda tekniken för att studera organiska polymermaterial, särskilt de som skördar solens strålar för att producera energi eller för att klyva vatten. Dessa material studeras intensivt eftersom de kan ge billigare förnybar energi.

Dock, många för närvarande använda material är instabila eller ineffektiva, på grund av verkan av elektroner som exciteras av ljus. Närmare studier av dessa elektroners snabba interaktioner kan ge värdefull insikt om metoder för att förbättra solceller och katalysatorer.