Forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory har uppfunnit ett sätt att observera elektronernas rörelser med kraftfulla röntgenlaserskurar på bara 280 attosekunder, eller miljarddels miljarddels sekund, lång.

Teknologin, kallas X-ray laser-enhanced attosecond pulse generation (XLEAP), är ett stort framsteg som forskare har arbetat mot i flera år, och det banar väg för genombrottsstudier av hur elektroner som rusar runt molekyler initierar avgörande processer inom biologi, kemi, materialvetenskap med mera.

Teamet presenterade sin metod idag i en artikel i Nature Photonics .

"Tills nu, vi kunde exakt observera atomkärnors rörelser, men de mycket snabbare elektronrörelserna som faktiskt driver kemiska reaktioner suddas ut, " sa SLAC-forskaren James Cryan, en av tidningens huvudförfattare och en utredare vid Stanford PULSE Institute, ett gemensamt institut för SLAC och Stanford University. "Med detta förskott, vi kommer att kunna använda en röntgenlaser för att se hur elektroner rör sig och hur det sätter grunden för kemin som följer. Det tänjer på gränserna för ultrasnabb vetenskap."

Studier på dessa tidsskalor kan avslöja, till exempel, hur absorptionen av ljus under fotosyntes nästan omedelbart driver runt elektroner och initierar en kaskad av mycket långsammare händelser som i slutändan genererar syre.

"Med XLEAP kan vi skapa röntgenpulser med precis rätt energi som är mer än en miljon gånger ljusare än attosekundspulser med liknande energi tidigare, " sa SLAC-forskaren Agostino Marinelli, XLEAP projektledare och en av tidningens huvudförfattare. "Det kommer att låta oss göra så många saker som människor alltid har velat göra med en röntgenlaser - och nu också på attosecond-tidsskalor."

Ett språng för ultrasnabb röntgenvetenskap

En attosekund är en otroligt kort tidsperiod – två attosekunder är till en sekund som en sekund är till universums ålder. Under de senaste åren har forskare har gjort stora framsteg när det gäller att skapa attosekundsröntgenpulser. Dock, dessa pulser var antingen för svaga eller så hade de inte den rätta energin för snabba elektronrörelser.

Under de senaste tre åren, Marinelli och hans kollegor har funderat på hur en röntgenlasermetod som föreslogs för 14 år sedan skulle kunna användas för att generera pulser med rätt egenskaper - en ansträngning som resulterade i XLEAP.

I experiment som utfördes precis innan besättningarna började arbeta med en större uppgradering av SLAC:s Linac Coherent Lightsource (LCLS) röntgenlaser, XLEAP-teamet visade att de kan producera exakt tidsinställda par av attosekunderröntgenpulser som kan sätta elektroner i rörelse och sedan registrera dessa rörelser. Dessa ögonblicksbilder kan sättas ihop till stop-action-filmer.

Linda Young, en expert inom röntgenvetenskap vid DOE:s Argonne National Laboratory och University of Chicago som inte var involverad i studien, sa, "XLEAP är ett verkligt stort framsteg. Dess attosekundsröntgenpulser av oöverträffad intensitet och flexibilitet är ett banbrytande verktyg för att observera och kontrollera elektronrörelser vid enskilda atomära platser i komplexa system."

Röntgenlasrar som LCLS genererar rutinmässigt ljusblixtar som varar några miljondelar av en miljarddels sekund, eller femtosekunder. Processen börjar med att skapa en elektronstråle, som buntas ihop i korta buntar och skickas genom en linjär partikelaccelerator, där de får energi. Reser med nästan ljusets hastighet, de passerar genom en magnet känd som en undulator, där en del av deras energi omvandlas till röntgenskurar.

Ju kortare och ljusare elektronknippen är, ju kortare röntgenskurar de skapar, så ett tillvägagångssätt för att göra attosecond röntgenpulser är att komprimera elektronerna till mindre och mindre buntar med hög toppljusstyrka. XLEAP är ett smart sätt att göra just det.

Att göra attosecond X-ray laserpulser

På LCLS, teamet satte in två uppsättningar magneter framför undulatorn som gjorde att de kunde forma varje elektronknippe till den önskade formen:en intensiv, smal spik som innehåller elektroner med ett brett spektrum av energier.

"När vi skickar dessa spikar, som har pulslängder på ungefär en femtosekund, genom undulatorn, de producerar röntgenpulser som är mycket kortare än så, sade Joseph Duris, en SLAC-anställd forskare och medförfattare till papper. Pulserna är också extremt kraftfulla, han sa, med några av dem som når en halv terawatts toppeffekt.

För att mäta dessa otroligt korta röntgenpulser, forskarna designade en speciell anordning där röntgenstrålar skjuter genom en gas och avlägsnar några av dess elektroner, skapa ett elektronmoln. Cirkulärt polariserat ljus från en infraröd laser interagerar med molnet och ger elektronerna en kick. På grund av ljusets speciella polarisering, vissa av elektronerna rör sig snabbare än andra.

"Tekniken fungerar på samma sätt som en annan idé implementerad på LCLS, som kartlägger tiden på vinklar som armarna på en klocka, sa Siqi Li, en papper medförfattare och nyligen Stanford Ph.D. "Det låter oss mäta fördelningen av elektronhastigheter och riktningar, och utifrån det kan vi beräkna röntgenpulslängden."

Nästa, XLEAP-teamet kommer att optimera sin metod ytterligare, vilket kan leda till ännu mer intensiva och möjligen kortare pulser. De förbereder sig också för LCLS-II, uppgraderingen av LCLS som kommer att avfyra upp till en miljon röntgenpulser per sekund—8, 000 gånger snabbare än tidigare. Detta kommer att tillåta forskare att göra experiment de länge har drömt om, såsom studier av enskilda molekyler och deras beteende på naturens snabbaste tidsskalor.