Ett team av forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory utvecklar nya metoder för att undersöka universums små detaljer i extraordinära hastigheter.
I tidigare forskning har forskarna utvecklat ett sätt att producera röntgenlaserskurar som är flera hundra attosekunder (eller miljarddelar av en miljarddels sekund) långa. Den här metoden, kallad X-ray laser-enhanced attosecond pulse generation (XLEAP), gör det möjligt för forskare att undersöka hur elektroner som glider runt molekyler startar nyckelprocesser inom biologi, kemi, materialvetenskap och mer.
Nu, ledda av SLAC-forskarna Agostino Marinelli och James Cryan, har teamet utvecklat nya verktyg för att använda dessa attosekundspulser på banbrytande sätt:den första användningen av attosekundspulser i pump-sondsexperiment och produktionen av de mest kraftfulla attosekundsröntgenpulserna någonsin rapporterats. Experimenten, utförda vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenfri elektronlaser och publicerade i två artiklar i Nature Photonics , skulle kunna revolutionera områden som sträcker sig från kemi till materialvetenskap genom att erbjuda insikter om de snabbaste rörelserna inuti atomer och molekyler.
I den första utvecklingen introducerade forskare ett nytt tillvägagångssätt för att utföra "pump-probe"-experiment med attosecond-röntgenpulser. Dessa experiment, som syftar till att mäta ultrasnabba händelser kortare än en biljondels sekund, involverar spännande atomer med en "pump"-puls följt av att sondera dem med en andra puls för att observera resulterande förändringar.
Denna teknik gjorde det möjligt för forskare att spåra och mäta elektronrörelser inom atomer och molekyler - en kritisk process som påverkar kemiska reaktioner, materialegenskaper och biologiska funktioner. De åstadkom detta genom att generera par av laserpulser i två färger och noggrant kontrollera fördröjningen mellan dem till så lite som 270 attosekunder.
"Denna förmåga låser upp nya möjligheter att studera interaktionen mellan ljus och materia på den mest grundläggande nivån," sa Cryan. "Det är spännande eftersom det har utvecklats till ett praktiskt verktyg, som gör det möjligt för oss att se elektrondynamik som en gång var utom räckhåll. Vi observerar nu processer som sker på tidsskalor som närmar sig den tid det tar ljus att korsa en molekyl."
I en ny artikel använde forskare denna teknik för att observera elektroner som rör sig i realtid i flytande vatten. Framtida studier kommer att tillämpa denna metod på olika molekylära system, förfina dessa mätningars noggrannhet och utöka deras tillämpning över vetenskapliga discipliner.
Den andra utvecklingen koncentrerades på att generera högeffekts attosekundspulser med hjälp av en teknik som kallas "superstrålning", vilket uppnår effektnivåer på nästan en terawatt. Denna process involverade en kaskadeffekt i en röntgenfri elektronlaser, vilket avsevärt förstärkte pulsernas effekt.
Den ökade intensiteten hos dessa pulser gör det möjligt för forskare att utforska unika materiatillstånd och bevittna fenomen som inträffar på ännu kortare tidsskalor.
"Detta är de mest kraftfulla attosecond-röntgenpulserna som någonsin rapporterats. Intensiteten hos dessa pulser tillåter oss att utforska helt nya regimer inom röntgenvetenskap," sa Marinelli. "Vi har tänjt på gränserna för röntgenpulsenergin och nått effektnivåer som öppnar nya experimentella världar. Detta resultat uppnåddes tack vare en speciell typ av våg som bibehåller sin form och hastighet när den fortplantar sig genom elektrongruppen, dramatiskt förbättra intensiteten och energin hos våra pulser."
Forskarna planerar att ytterligare förfina denna teknik för att förbättra stabiliteten och kontrollen av dessa högeffektspulser, i syfte att bredda deras tillämpning över olika vetenskapliga områden.
Den här utvecklingen tänjer på gränserna för våra observations- och mätmöjligheter, och skapar förutsättningar för framtida vetenskapliga genombrott som kan förändra vår förståelse av den naturliga världen.
Att observera atomer och elektroner i rörelse underlättar designen av nya material med skräddarsydda egenskaper för teknik, energi och andra områden. Att förstå elektronrörelser under kemiska reaktioner kan också underlätta intelligenta kemiska designprinciper.
"Dessa studier fördjupar inte bara vår förståelse av fysik utan banar också väg för framtida innovationer som kan förändra vår förståelse av elektrondrivna processer," sa Cryan. "Varje attosekundspuls vi genererar ger en ny inblick i naturens byggstenar, och avslöjar dynamik som tidigare dold från synen. Vi förväntar oss många fler spännande upptäckter framöver."
Mer information: Zhaoheng Guo et al, Experimentell demonstration av attosecond pump-probe spektroskopi med en röntgenfri elektronlaser, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01419-w
Paris Franz et al., Terawatt-skala attosekundsröntgenpulser från en kaskadad superradiant frielektronlaser, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01427-w
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
