Ett av de sista hindren som hindrar fotografering och filmning av processer som sker på en skala av attosekunder, dvs miljarddels miljarddels sekund, har försvunnit. Nyckeln till dess avlägsnande ligger i den slumpmässiga karaktären hos de processer som är ansvariga för bildandet av röntgenlaserpulser.

Det finns bara ett fåtal röntgenlasrar i världen idag. Dessa sofistikerade enheter kan användas för att registrera till och med extremt snabba processer, till exempel förändringar i atomernas elektrontillstånd. De pulser som genereras av moderna röntgenlasrar är redan tillräckligt korta för att kunna överväga att ta attofotos eller till och med attofilmer. Dock, det som förblev ett problem var själva röntgenoptiken. När en ultrakort röntgenpuls lämnar lasern där den skapades, det kan förlängas i tiden över ett dussinfaldigt.

En internationell grupp fysiker under överinseende av Dr. Jakub Szlachetko och Dr. Joanna Czapla-Masztafiak från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow och Dr. Yves Kayser från Physikalisch-Technische Bundesanstalt i Berlin har visat sig Naturkommunikation att röntgenoptik inte längre ska vara ett hinder. Publikationen är resultatet av forskning som utförts vid Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser vid SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien.

"Det bästa sättet att bli av med problem med röntgenoptik var... att bli av med röntgenoptik, " skrattar Dr. Szlachetko. "Istället för att lösa problemet, vi hittade en väg runt det. Det är intressant att vi bytte ut optiken... av en slump. Bokstavligen! Vi har visat att mycket bättre parametrar än de nuvarande röntgenlaserpulserna kan erhållas genom skicklig användning av processer av stokastisk natur."

Det är inte det första fallet i röntgenlaserns historia när fysiken själv kommer till hjälp för designers. I klassiska lasrar, nyckelelementet är den optiska resonatorn. Detta är ett system av speglar som bara stärker fotoner med en viss våglängd, rör sig i en viss riktning. Röntgenlasrar ansågs under lång tid vara omöjliga att konstruera på grund av bristen på speglar som kan reflektera röntgenstrålar. Detta hinder eliminerades när det märktes att resonatorn kunde ersättas ... med relativistisk fysik ensam. När en elektron accelererad till en hastighet nära ljusets hastighet passerar längs ett system av många växelvis orienterade magneter, den rör sig inte i en rak linje, men rör sig runt den, tappa energi samtidigt. Relativistiska effekter tvingar sedan elektronen att sända ut högenergifotoner inte i någon slumpmässig riktning, men längs elektronstrålens ursprungliga förlopp (därav namnet:Free-Electron Laser — FEL).

De stora förhoppningar som är förknippade med röntgenlasrar beror på att de kan användas för att registrera kemiska reaktioner. Varje enskild laserpuls kan ge information om det aktuella elektrontillståndet i systemet som observeras (atom eller molekyl). På samma gång, pulsenergin är så hög att omedelbart efter inspelning av bilden, de upplysta föremålen upphör att existera. Lyckligtvis, observationsprocessen kan upprepas många gånger. Bilderna som samlats in under en längre session gör det möjligt för forskare att exakt rekonstruera alla stadier av den studerade kemiska reaktionen.

"Situationen kan jämföras med försök att fotografera händelser av samma typ med en blixtkamera. När vi tar tillräckligt många bilder av ett tillräckligt antal av samma händelser, vi kan använda dem för att konstruera en film med hög noggrannhet som visar vad som händer under en enskild händelse, " förklarar Dr. Czapla-Masztafiak och förklarar:"Problemet är att pulserna som genereras i röntgenlasrar uppstår i spontan självförstärkande stimulerad emission och inte kan kontrolleras fullt ut."

Pulsernas spontana natur gör att parametrarna för efterföljande pulser i röntgenlasrar inte är exakt desamma. Pulserna dyker upp en gång tidigare, en gång senare, de skiljer sig också något i energin hos fotoner och deras antal. I den presenterade analogin, detta skulle motsvara en situation när efterföljande bilder tas med olika blixtenheter, dessutom, aktiveras vid slumpmässiga ögonblick.

Den oundvikliga slumpen av röntgenpulser tvingade fysiker att montera ytterligare optisk diagnostisk utrustning i FEL-lasrar. Som ett resultat, även om lasern genererade en ursprunglig puls med attosekunds varaktighet, den utökades med röntgenoptik till femtosekunder. Nu visar det sig att för att registrera de elektroniska tillstånden för atomer eller molekyler på ett sätt som möjliggör rekonstruktion av kemiska reaktioner, impulser med exakt kontrollerade parametrar behövs inte.

"Att ta bort röntgenoptik tillät oss också att använda extremt högenergipulser för att studera icke-linjära effekter. Detta innebär att atomer börjar bli transparenta för röntgenstrålar någon gång, vilket i sin tur är förknippat med en ökning av absorptionen inom ett annat strålningsintervall, "förklarar Dr Szlachetko.

Den nya metoden kommer att introduceras i samarbete med IFJ PAN i experiment som utförs med både nuvarande röntgenlasrar:europeisk XFEL nära Hamburg (Tyskland) och SwissFEL i Villigen (Schweiz). Arbetet med att testa den nya tekniken inom ramen för kemiska experiment utfördes i nära samarbete med Dr. Jacinto Sa från Institute of Physical Chemistry vid polska vetenskapsakademien i Warszawa och University of Uppsala.

I samband med den föreslagna tekniken, det är värt att betona att när det gäller klassisk optik finns det några rent fysiska begränsningar relaterade till upplösningen av de optiska instrumenten, till exempel den berömda diffraktionsgränsen. Det finns inga fysiska begränsningar i den nya metoden – eftersom det inte finns någon optik. Så, om röntgenlasrar visas med ännu kortare pulser än de som för närvarande genereras, den nya tekniken kan framgångsrikt användas med dem.