Rekordowa intensywność krótkich, wysokoenergetycznych impulsów rentgenowskich Błyski rentgenowskie, które mogą pobić rekord

Naukowcy z European XFEL skupili impulsy promieniowania rentgenowskiego trwające attosekundy tak silnie, że osiągnęły one intensywność, która może pobić dotychczasowy rekord. Metoda ta może utorować drogę do bardziej szczegółowych badań elektronów w atomach i cząsteczkach.

Naukowcy wygenerowali w European XFEL błyski promieniowania rentgenowskiego, które były nie tylko niezwykle krótkie, ale także osiągnęły intensywność mogącą pobić rekord dla tego rodzaju impulsów. Naukowcy skupili promieniowanie rentgenowskie na powierzchni około 100 000 razy mniejszej niż przekrój typowego ludzkiego włosa. Dzięki temu promieniowanie rentgenowskie zostało skoncentrowane w niewielkim, ale niezwykle intensywnym punkcie. Metoda ta mogłaby umożliwić szczegółowe badania zachowania elektronów w atomach i cząsteczkach, a w dłuższej perspektywie nawet pozwolić na kontrolowanie elektronów podczas reakcji chemicznych.

„To światowy rekord pod względem intensywności i gęstości strumienia dla impulsu attosekundowego w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego” – mówi Ichiro Inoue z Uniwersytetu Tokijskiego, pierwszy autor publikacji poświęconej nowym impulsom laserowym. Wykorzystane „twarde promieniowanie rentgenowskie” to światło o wyjątkowo krótkiej długości fali. Gęstość strumienia określa, ile energii światło to dostarcza na określoną powierzchnię. Na intensywność wpływa również ilość energii docierającej w jednostce czasu. Naukowcy szacują, że czas trwania impulsów wykorzystanych w eksperymencie wynosił 300 attosekund. Impulsy przechodziły przez układ dwóch niezwykle precyzyjnych luster, znany jako optyka „Advanced Kirkpatrick-Baez”, w skrócie AKB. Każdy błysk promieniowania rentgenowskiego był w nim odbijany łącznie cztery razy: jedno zwierciadło skupiało impuls w pionie, a drugie w poziomie. Doprowadziło to do uzyskania punktu ogniskowego o wymiarach zaledwie 180 × 330 nanometrów.

„Kilka lat temu w European XFEL wygenerowaliśmy impulsy promieniowania rentgenowskiego o długości trwania rzędu attosekund i mocy rzędu terawatów” – mówi Jiawei Yan, naukowiec z DESY i jeden z autorów badania. „Jednak generowanie impulsów o dużej mocy to dopiero pierwszy krok. W eksperymentach najważniejsze jest to, co dociera do próbki. Dzięki temu postępowi możemy teraz wykorzystywać atosekundowe impulsy promieniowania rentgenowskiego do badania silnych nieliniowych oddziaływań między promieniowaniem rentgenowskim a materią”.

Błyskawice o ogromnej intensywności

Naukowcy potwierdzili, że błyskawice osiągały szczytową intensywność przekraczającą 10²⁰ watów na centymetr kwadratowy. W tym celu skierowali impulsy na folię miedzianą. Impulsy promieniowania rentgenowskiego wyrywały z atomów miedzi elektrony z głębokich powłok wewnętrznych, pozostawiając po sobie „luki”. Gdy inne elektrony wypełniają te luki, emitują z kolei promieniowanie rentgenowskie. Przy bardzo wysokich intensywnościach światło to może pobudzać inne wzbudzone atomy miedzi do emitowania większej ilości promieniowania rentgenowskiego w tym samym kierunku, co powoduje wzmocnienie sygnału. Proces ten nazywany jest wzmocnioną emisją spontaniczną (amplified spontaneous emission, ASE).

„Obserwowanie tego jest niemal magiczne” – mówi Anders Madsen, kierownik grupy w stacji eksperymentalnej MID, gdzie przeprowadzono badanie. „Zwykła fluorescencja rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach, niezależnie od kierunku padającego impulsu. Jednak gdy tylko przekroczony zostanie próg ASE, widać, jak stożek światła zaczyna się zagęszczać w kierunku do przodu”.

Naukowcy zaobserwowali, że sygnał ASE początkowo gwałtownie wzrastał wraz ze wzrostem energii impulsu, ale następnie przy wyższych energiach ulegał spłaszczeniu lub nasyceniu. Takie zachowanie spodziewane jest jedynie przy ekstremalnie wysokich natężeniach promieniowania rentgenowskiego, co stanowiło zatem niezależne potwierdzenie natężenia oszacowanego na podstawie energii impulsu, czasu trwania oraz wielkości ogniska.