Attosekundsfenomen kan studeras med fria elektronlasrar som SwissFEL (bilden visar dess forskningsstation Alvra). Röntgenkronoskopi, som analyserar formen på laserpulser före och efter interaktion med provet, kan potentiellt ge den mest exakta bilden av dessa fenomen. Kredit:Källa:IFJ PAN / Paul Scherrer Institut / SwissFEL Alvra
De finns överallt, runt omkring oss och inom oss. Fenomen som varar i biljondelar av en sekund utgör kärnan i kemi och biologi. Det är först nyligen som vi har börjat försöka registrera deras faktiska kurs korrekt, med måttlig framgång. Men fysiker från Krakow har bevisat att det nya fönstret till attofysikens värld kan byggas, vilket ger en mycket lovande syn.
Oavsett om det är i djupet av en cell eller inuti ett provrör, sker kemiska reaktioner som involverar förändringar i konfigurationen av elektroner i atomer och molekyler med anmärkningsvärd hastighet. Deras förekomst och betydelse väcker den förståeliga nyfikenheten hos forskare, som länge har försökt att registrera sin utveckling i tid. Nuvarande metoder med användning av röntgenstrålar, som hittills utvecklats för att observera fenomen som varar i attosekunder, möter höga krav på parametrarna för den använda strålstrålen. Situationen kommer sannolikt att förbättras under de kommande åren tack vare en ny mätmetod som föreslagits av en grupp forskare från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow.
Att spåra fenomenens förlopp lika snabbt som bindningen av atomer till molekyler är nu möjligt främst tack vare X-Ray Free-Electron Lasers (XFEL). Dessa enheter, som bara fungerar på ett fåtal platser i världen på grund av sin storlek och konstruktionskostnader, genererar ultrakorta pulser av röntgenstrålar som bara varar några femtosekunder.
Center utrustade med XFEL-lasrar använder två grundläggande mättekniker som kallas röntgenspektroskopi och röntgendiffraktion. Den förra fokuserar på att analysera förändringar i strålningsspektrat under dess interaktion med provet, medan den senare studerar hur röntgenstrålar sprids på provet. Båda metoderna har samma begränsning:de tillåter oss inte att "se" processer som är kortare än pulslängden. Det är därför de snabbaste fenomenen hittills observerats vid den europeiska XFEL-lasern nära Hamburg, till exempel, varade i 5 femtosekunder.
"Några femtosekunder är inte särskilt långt, men det här är ändå inte attofysikens värld. För att komma till detta vände vi oss till kronoskopi, det vill säga en teknik som analyserar hur pulser ändrar form över tid. Vi har visat teoretiskt att den här metoden framgångsrikt kan användas för ultrakorta röntgenpulser för att få information om förändringarna i formen av pulserna före och efter interaktion med provet", säger Dr. Wojciech Blachucki (IFJ PAN), första författare till tidningen i Yrkeningsvetenskap .
I denna publikation visas att det i fallet med ultrakorta laserpulser är möjligt att mäta deras tidsstruktur, d.v.s. att få information om pulsformen. Detta tillvägagångssätt gör det potentiellt möjligt att härleda fenomen från attofysikens värld även vid det nuvarande tillståndet av teknisk utveckling av XFELs. Om laserpulsen skulle vara ens 20 femtosekunder, men informationen om dess tidsstruktur skulle kunna rekonstrueras, säg, i 100 punkter, skulle det vara möjligt att märka fenomen som inträffar vid en tidpunkt 20/100 =1/5 femtosekund, d.v.s. , 200 attosekunder.
Det är viktigt att notera att för närvarande kan tidsupplösning på mindre än en femtosekund ibland uppnås, men laserstrålens intensitet måste reduceras avsevärt. Denna procedur har kraftfulla biverkningar. Tiden för bestrålning av prover förlängs till många timmar, vilket i praktiken gör det omöjligt att genomföra tillämpade studier. Röntgenkronoskopi har inte denna begränsning och tar bort kraven på strålningspulser genom att använda en känslig metod för att mäta deras tidsstruktur. Efter implementeringen kunde nuvarande lasercenter ägna en del av sin arbetstid åt attosekundsmätningar utförda för externa enheter, till exempel med anknytning till industrin.
Det kommer dock att dröja flera år innan röntgenkronoskopi blir en standardforskningsteknik. Det första steget mot dess implementering kommer att vara att visa att den genomsnittliga varaktigheten av laserpulsen före och efter interaktion med provet är olika. Detta skulle vara en experimentell bekräftelse på riktigheten av den metod som beskrivs av de Krakow-baserade fysikerna. Först i nästa steg skulle forskarna fokusera på mer exakt rekonstruktion av tidsstrukturen för impulser före och efter kontakt med provet.
"Mätningstekniken vi föreslår är inte begränsad till enbart frielektronlasrar, utan är universell till sin natur. Den kan således framgångsrikt användas även i fallet med andra källor som genererar ultrakorta röntgenpulser, såsom Extreme Light Infrastrukturanläggning belägen nära Prag," betonar Dr. Jakub Szlachetko (IFJ PAN). + Utforska vidare
