Wetenschappers van DESY hebben 's werelds meest nauwkeurige 'metronoom' opgesteld voor een kilometers breed netwerk. Het timingsysteem synchroniseert een 4,7 kilometer lang laser-magnetronnetwerk met een precisie van 950 attoseconden. Een attoseconde is een quintiljoenste van een seconde, of een miljoenste van een miljoenste van een miljoenste van een seconde. Dergelijke installaties kunnen het ritme bieden voor het opnemen van ultrasnelle röntgenfoto's van dynamische processen in de wereld van moleculen en atomen. Het Duits-Amerikaanse team rond vooraanstaande DESY-wetenschapper Prof. Franz X. Kärtner van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg meldt de prestatie in het wetenschappelijke tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen .

"Extreme timingnauwkeurigheid is belangrijk voor veel onderzoeksgebieden, " zegt promovendus Kemal Şafak van de groep van Kärtner, een van de hoofdauteurs van het artikel. "Bijvoorbeeld, uitdagende geodesietaken vereisen signaalsynchronisatie met picoseconde precisie, dat is een biljoenste van een seconde. Zeer nauwkeurige navigatie en multi-telescooparrays voor astronomie hebben zelfs een hogere precisie nodig van maximaal 40 femtoseconden." Een femtoseconde is een biljardste van een seconde, of 1000 attoseconden.

Onderzoekscentra zoals DESY die werken aan X-ray free-electron lasers (XFEL's) hebben tot doel snapshots te maken van ultrasnelle processen in de nanokosmos, bijvoorbeeld structurele dynamiek van biomoleculen of chemische reacties. "Röntgenstralen bieden een uitstekende ruimtelijke resolutie op de schaal van atomen, " legt Şafak uit. "De uitdaging is om de noodzakelijke temporele resolutie te bereiken op de schaal van attoseconden, waar belangrijke moleculaire en atomaire processen plaatsvinden."

DESY's baanbrekende vrije-elektronenlaser FLASH beschikt al over een indrukwekkende timingprecisie van 30 femtoseconden over de hele faciliteit. Dit is belangrijk voor zogenaamde pomp-sonde experimenten, waarbij een dynamisch proces – bijvoorbeeld een chemische reactie – wordt gestart met de ene laserpuls en na een welbepaalde vertraging geanalyseerd met een andere laserpuls. Het experiment herhalen met langzaam toenemende vertragingstijden levert een reeks snapshots op en creëert een super slow-motionfilm van de reactie of het proces dat wordt onderzocht. Zonder synchronisatie tussen de pulsen, de dynamiek kan niet duidelijk worden opgelost in de film.

"Als we een nog betere precisie kunnen bereiken, dit zou een radicaal nieuwe wetenschap beloven door licht te werpen op moleculaire en atomaire processen die plaatsvinden op de attoseconde tijdschaal. Dit zal naar verwachting een revolutie teweegbrengen in veel onderzoeksgebieden, van structurele biologie tot materiaalwetenschap en chemie tot fundamentele fysica, " legt Kärtner uit, die ook hoogleraar natuurkunde is aan de Universiteit van Hamburg en actieve onderzoeksprogramma's blijft uitvoeren aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), waar hij meer dan tien jaar geleden begon te werken aan uiterst nauwkeurige distributiesystemen voor timing.

"Faciliteiten zoals XFEL's en op laser gebaseerde attoscience-centra vereisen systeembrede synchronisatie op tweede niveau van tientallen optische en microgolfsignalen, vaak over afstanden van kilometers, ", voegt Kärtner toe. Voor dit doel, de onderzoekers hebben een optisch timingdistributiesysteem ontwikkeld dat de ultralage ruispulstrein van een laser met modusvergrendeling als timingsignaal gebruikt. Met behulp van gestabiliseerde glasvezelverbindingen, het timingsignaal wordt over een grote afstand van een centrale locatie naar meerdere eindstations overgebracht, waar efficiënte en robuuste synchronisatie wordt gerealiseerd met externe optische en microgolfbronnen.

Door nieuwe ultrasnelle timingdetectoren te ontwikkelen en niet-lineariteiten van vezels zorgvuldig te onderdrukken, samen met fundamentele ruisbijdragen, de wetenschappers zijn erin geslaagd een timingprecisie van 950 attoseconden te bereiken in een 4,7 km lang laser-magnetronnetwerk gedurende 18 uur. "Voor zover we weten, het is de eerste keer dat er een synchronisatie is bereikt die beter is dan een enkele femtoseconde tussen verre-mode-locked lasers en microgolfoscillatoren op een faciliteitsbrede schaal voor een langere periode, " zegt Şafak.

"Het laser-microgolfnetwerk met attoseconde precisie zal de volgende generatie XFEL's en andere wetenschappelijke faciliteiten in staat stellen te werken met een ongekende timingnauwkeurigheid, hen te helpen hun volledige potentieel te ontplooien, " onderstreept Kärtner. "Dit zal nieuwe wetenschappelijke inspanningen stimuleren voor het maken van atomaire en moleculaire films op een attoseconde tijdschaal, waardoor veel nieuwe onderzoeksgebieden in de biologie worden geopend, Drug ontwikkeling, scheikunde, fundamentele natuurkunde en materiaalkunde. Daarnaast, deze techniek zal naar verwachting ook de ontwikkelingen versnellen in veel andere grensverleggende onderzoeksgebieden die een hoge temporele resolutie vereisen, zoals vergelijking van ultrastabiele optische klokken, astronomie met zwaartekrachtgolven en coherente optische antenne-arrays."