Ett stort internationellt team av forskare från olika forskningsorganisationer, inklusive US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, har utvecklat en metod som dramatiskt förbättrar den redan ultrasnabba tidsupplösning som kan uppnås med röntgenfri elektronlaser (XFEL). Det kan leda till genombrott i hur man designar nya material och effektivare kemiska processer.

En XFEL-enhet är en kraftfull kombination av partikelaccelerator och laserteknik som producerar extremt lysande och ultrakorte pulser av röntgenstrålar för vetenskaplig forskning. "Med denna teknik, forskare kan nu spåra processer som sker inom miljontals miljondelsekund (femtosekunder) i storlekar ner till atomskala, "sa Gilles Doumy, en fysiker vid Argonnes avdelning för kemiska vetenskaper och teknik. "Vår metod gör det möjligt att göra detta för ännu snabbare tider."

En av de mest lovande tillämpningarna av XFEL har varit inom biologiska vetenskaper. I sådan forskning, forskare kan fånga hur biologiska processer som är grundläggande för livet förändras över tid, redan innan strålningen från laserns röntgen förstör proverna. Inom fysik och kemi, dessa röntgenstrålar kan också belysa de snabbaste processerna som sker i naturen med en slutartid som bara varar en femtosekund. Sådana processer inkluderar framställning och brytning av kemiska bindningar och vibrationer av atomer på tunna filmytor.

I över ett decennium har XFELs levererat intensiva, femtosekund röntgenpulser, med senaste strejk i sub-femtosekundregimen (attosekund). Dock, på dessa små tidsskalor, det är svårt att synkronisera röntgenpulsen som utlöser en reaktion i provet och laserpulsen som "observerar" den. Detta problem kallas timing jitter.

Huvudförfattare Dan Haynes, doktorand vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, sa, "Det är som att försöka fotografera slutet på en tävling när kameraslutaren kan aktiveras när som helst under de sista tio sekunderna."

För att kringgå skakproblemet, forskargruppen kom med en banbrytande, mycket exakt tillvägagångssätt som kallas "självrefererade attosecond ränder." Teamet demonstrerade sin metod genom att mäta en grundläggande sönderfallsprocess i neongas vid Linac Coherent Light Source, en DOE Office of Science User Facility vid SLAC National Accelerator Laboratory.

Doumy och hans rådgivare vid den tiden, Ohio State University professor Louis DiMauro, hade föreslagit mätningen första gången 2012.

I förfallsprocessen, kallad Auger decay, en röntgenpuls katapulerar atomkärnans elektroner i provet ur sin plats. Detta leder till att de ersätts av elektroner i yttre atomskal. När dessa yttre elektroner slappnar av, de släpper ut energi. Den processen kan inducera utsläpp av en annan elektron, känd som en Auger -elektron. Strålningsskador uppstår på grund av både de intensiva röntgenstrålarna och det fortsatta utsläppet av Auger-elektroner, som snabbt kan försämra provet. Vid röntgenexponering, neonatomerna avger också elektroner, kallas fotoelektroner.

Efter att ha utsatt båda typerna av elektroner för en extern "strimmig" laserpuls, forskarna bestämde sin slutliga energi i var och en av tiotusentals individuella mätningar.

"Från dessa mätningar, vi kan följa Auger förfall i tid med sub-femtosekund precision, även om timingskakan var hundra gånger större, "sa Doumy." Tekniken bygger på det faktum att Auger -elektroner avges något senare än fotoelektronerna och därmed interagerar med en annan del av den strimmande laserpulsen. "

Denna faktor utgör grunden för tekniken. Genom att kombinera så många individuella observationer, laget kunde konstruera en detaljerad karta över den fysiska förfallsprocessen. Av den informationen, de kunde bestämma den karakteristiska tidsfördröjningen mellan fotoelektronen och Auger -elektronemissionen.

Forskarna är hoppfulla att självrefererade strimmor kommer att ha en bred inverkan inom ultrasnabb vetenskap. Väsentligen, tekniken gör det möjligt att utöka traditionell attosekundsträckande spektroskopi till XFEL över hela världen när de närmar sig attosekundgränsen. På det här sättet, självrefererad strimling kan underlätta en ny klass av experiment som drar nytta av flexibiliteten och extrema intensiteten hos XFEL utan att kompromissa med tidsupplösningen.