Forskare har etablerat en ny högfrekvent laseranläggning vid University of Tokyo. Den koherenta extrema ultravioletta ljuskällan kan avslöja detaljer av biologiska eller fysiska prover med oöverträffad tydlighet. Det möjliggör också undersökning av tidsberoende fenomen som ultrasnabba kemiska reaktioner. Befintliga anläggningar för sådana undersökningar kräver med nödvändighet enorma partikelacceleratorer och är oöverkomliga för många forskare. Denna nya anläggning bör avsevärt förbättra tillgängligheten för ett brett spektrum av forskare.

Ultraviolett (UV) ljus från solen hjälper kroppen att producera D-vitamin och får solpaneler att generera energi, och röntgenstrålar kan användas för medicinsk avbildning för att hitta brutna ben eller andra tillstånd. Men utöver dessa aspekter, UV-ljus och röntgenstrålar är också viktiga verktyg för undersökningen av den fysiska världen. Forskare använder dessa former av ljus för att avslöja detaljer om biologiska, kemiska och fysikaliska prover såsom deras makeup, struktur och beteende.

Två typer av ljus som är särskilt användbara för toppmoderna undersökningar av snabbverkande fenomen, såsom vissa kemiska reaktioner eller biologiska processer, är koherenta extrema ultravioletta (XUV) och mjuka röntgenpulser. Dessa är båda mycket exakta former av ljus med fint kontrollerade parametrar, liknande laserpulser, avgörande för att utföra bra rigorösa experiment. Dock, det finns några nackdelar med hur dessa balkar är gjorda.

"Faciliteter för att producera sammanhängande XUV och mjuka röntgenstrålar är enorma maskiner baserade på partikelacceleratorer - som mindre versioner av Large Hadron Collider i Europa, " sa professor Katsumi Midorikawa från UTokyo Institute for Photon Science and Technology och RIKEN Center for Advanced Photonics. "Med tanke på sällsyntheten av dessa anläggningar och kostnaden för att genomföra experiment där, det utgör en barriär för många som kanske vill använda dem. Detta är vad som fick mig själv och kollegor på UTokyo och RIKEN att skapa en ny typ av anläggning som vi hoppas kommer att vara mycket mer tillgänglig för ett större antal forskare att använda."

Den nya XUV-källan är mycket, mycket mindre än något som har kommit före det. Det är inrymt i ett relativt blygsamt labb under jorden vid University of Tokyo. Huvuddelen av maskinen är en 5 gånger 2 meter vakuumbehållare som innehåller en 100 meter lång ring, eller resonator, där ett laserljus med hög effekt lagras. På två ställen på denna spole finns fickor av ädelgaser som ändrar egenskaperna hos den passerande lasern. Detta resulterar i de två separata strålarna av XUV och mjuka röntgenstrålar, som gjuts på prover som undersöks. Ljus som reflekteras från proverna läses sedan av höghastighetsavbildningssensorer.

"Det som verkligen är nytt med vårt tillvägagångssätt är att XUV och mjuka röntgenpulser är extremt korta men uppträder vid mycket höga frekvenser, i området megahertz, eller miljontals cykler per sekund, " sa Midorikawa. "För perspektiv, etablerade XUV-anläggningar som använder synkrotronstrålningspulser i megahertzregionen har längre skurar som är mindre lämpliga för att lösa dynamiska fenomen. Och de som använder så kallade röntgenfria elektronlaserkällor har korta pulser, men erbjuder låga frekvenser på runt 10 hertz till 100 hertz. Så vår anläggning erbjuder det bästa av två världar, med den extra fördelen att bara vara en bråkdel av storleken och med mycket lägre driftskostnader."

Denna nya XUV-källa erbjuder ultrakorta pulser, användbar för att undersöka snabba fenomen, och höga frekvenser, användbar för att undersöka materiens struktur och kemiska egenskaper. Detta är möjligt på grund av processen som skapar pulserna när lasern interagerar med gasen. Det kallas övertonsgenerering av hög ordning, och anläggningen är den första i sitt slag som kan producera flera XUV och mjuka röntgenstrålar.

"Jag har arbetat inom området XUV-generering och -applikation i 30 år. Även om generering av övertoner av hög ordning gav ett genombrott inom detta område, genereringseffektiviteten och pulsrepetitionshastigheten var fortfarande otillräckliga för många tillämpningar, " sa Midorikawa. "När jag föreslog idén om denna anläggning för mina kollegor, de blev direkt intresserade och vi kunde skaffa en lämplig budget för att slutföra det. Vi hoppas alla att detta kommer att öppna dörren till ny forskning från materialforskare, kemister och biologer som äntligen kan komma åt detta fantastiska och kraftfulla undersökningsverktyg."