Moderna röntgenlaseranläggningar som Linac Coherent Light Source (LCLS) vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory tillåter forskare att studera hur naturen beter sig i ultrasmå och ultrasnabba skalor. Dock, de individuella röntgenpulserna är instabila, fluktuerande från skott till skott, och producera mycket bakgrundsljud som kan skymma signalen i högupplösta experiment.

Nu, SLAC-forskare har utvecklat en metod för att producera ljusare röntgenstrålar som är mer stabila och sammanhängande, med våglängder som är mer synkroniserade med varandra. Detta skulle kunna öka effektiviteten i datainsamlingen och bana väg för nya typer av experiment. Deras resultat publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev .

Verktyg för vetenskap

Under de senaste åren, teamet har letat efter sätt att förbättra prestandan hos LCLS genom att förbättra kvaliteten på dess pulser.

"Att producera en perfekt röntgenlaser är ett av de ultimata målen i vårt samhälle." säger medförfattaren och SLAC-forskaren Zhen Zhang. "Vi ville hitta ett sätt att få röntgenpulser att likna de från en klassisk optisk laser, som är både stabila och sammanhängande."

Bob Schoenlein, LCLS biträdande för vetenskap, säger att denna forskning kommer att göra XFELs ännu viktigare och mångsidigare verktyg för vetenskapen.

"Detta är ett mycket lovande tillvägagångssätt för att kontrollera koherensegenskaperna hos LCLS-röntgenpulser, " säger han. "Det kommer att möjliggöra studier av komplexa material och molekylära system med utsökt upplösning i både tid och energi."

Bästa av båda världar

Forskarna hade studerat befintliga metoder för att generera renare röntgenpulser, som att filtrera de bullriga pulserna och återinjicera dem i XFEL med ett koncept som kallas "självsådd, " men fann att det finns en grundläggande avvägning mellan mycket koherenta pulser och mycket stabila. I den traditionella självsåddmetoden, det gick inte att ha båda på en gång.

De insåg att de behövde ta ett helt annat tillvägagångssätt för att kringgå detta problem. Det var då huvudförfattaren och SLAC-forskaren Erik Hemsing fick idén att sträcka ut ultrakorta röntgenpulser, vars unika egenskaper gör att forskarna kan stabilisera och rena pulserna.

"Istället för att filtrera det långa, bullriga pulser som görs vid konventionell självsådd, vi insåg att vi istället först skulle producera ultrakorta koherenta pulser och sedan sträcka ut och förstärka dem, " säger Hemsing. "På detta sätt, enligt våra studier, vi kan avsevärt öka stabiliteten och koherensen på samma gång."

Konceptet bygger på det faktum att de ultrakorta pulserna kan vara mycket mindre brusiga och mer sammanhängande än långa pulser, speciellt om de når sin maximala kraft. Problemet är att de korta pulserna inte bär mycket energi och inte är idealiska för vissa högupplösta vetenskapliga tillämpningar. Forskarna hittade ett sätt att filtrera dessa pulser, förstärk dem sedan med en faktor på 10, 000.

"Det tillåter oss att få de resultat vi vill ha utan större ändringar av den befintliga installationen, " säger medförfattare och SLAC-forskarassistent Alex Halavanau.

Att sätta det på prov

För att följa upp denna forskning, teamet hoppas kunna testa idén på LCLS. I framtiden, Halavanau säger, de skulle vilja utöka tekniken till mer energiska "hårda" röntgenstrålar, och använda nya, anpassade mjuka röntgenpulser som möjliggörs av denna teknik för att bättre förstå atomernas fysik, fotoner och elektroner.

Zhirong Huang, chef för SLAC Accelerator Research Division, säger:"Vi ser fram emot att få denna idé att fungera i den nya mjuka röntgenundulatorn som snart kommer online för LCLS-II."