Een van de laatste obstakels die het fotograferen en filmen van processen op een schaal van attoseconden belemmert, d.w.z. miljardsten van een miljardste van een seconde, is verdwenen. De sleutel tot de verwijdering ervan ligt in de willekeurige aard van de processen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van röntgenlaserpulsen.

Er zijn tegenwoordig maar een paar röntgenlasers in de wereld. Deze geavanceerde apparaten kunnen worden gebruikt om zelfs extreem snelle processen vast te leggen, zoals de veranderingen in de elektronentoestanden van atomen. De pulsen van moderne röntgenlasers zijn al kort genoeg om attofoto's of zelfs attofilms te kunnen overwegen. Echter, wat een probleem bleef, was de röntgenoptiek zelf. Wanneer een ultrakorte röntgenpuls de laser verlaat waarin deze is gemaakt, het kan in de tijd meer dan een dozijn worden uitgebreid.

Een internationale groep natuurkundigen onder toezicht van Dr. Jakub Szlachetko en Dr. Joanna Czapla-Masztafiak van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau en Dr. Yves Kayser van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Berlijn heeft zich bewezen Natuurcommunicatie dat röntgenoptica geen obstakel meer mag zijn. De publicatie is het resultaat van onderzoek uitgevoerd bij de Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser in het SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Californië.

"De beste manier om van problemen met röntgenoptica af te komen was... om van röntgenoptica af te komen, " lacht Dr. Szlachetko. "In plaats van het probleem op te lossen, we hebben er een manier omheen gevonden. Het is interessant dat we de optiek hebben vervangen... bij toeval. Letterlijk! We hebben aangetoond dat veel betere parameters dan de huidige röntgenlaserpulsen kunnen worden verkregen door vakkundig gebruik te maken van processen van stochastische aard."

Het is niet het eerste geval in de geschiedenis van röntgenlasers waarin de natuurkunde zelf ontwerpers te hulp schiet. Bij klassieke lasers, het belangrijkste element is de optische resonator. Dit is een systeem van spiegels dat alleen fotonen van een bepaalde golflengte versterkt, in een bepaalde richting bewegen. Röntgenlasers werden lange tijd als onmogelijk te bouwen beschouwd vanwege het ontbreken van spiegels die röntgenstralen konden weerkaatsen. Dit obstakel werd geëlimineerd toen werd opgemerkt dat de resonator vervangen kon worden... met alleen relativistische fysica. Wanneer een elektron versneld tot een snelheid dicht bij de lichtsnelheid langs een systeem van vele afwisselend georiënteerde magneten gaat, het beweegt niet in een rechte lijn, maar beweegt er omheen, tegelijkertijd energie verliezen. Relativistische effecten dwingen het elektron vervolgens om hoogenergetische fotonen uit te zenden, niet in een willekeurige richting, maar langs de oorspronkelijke loop van de elektronenbundel (vandaar de naam:Free-Electron Laser-FEL).

De hoge verwachtingen van röntgenlasers zijn te wijten aan het feit dat ze kunnen worden gebruikt om chemische reacties vast te leggen. Elke enkele laserpuls kan informatie verschaffen over de huidige elektronentoestand van het systeem dat wordt waargenomen (atoom of molecuul). Tegelijkertijd, de pulsenergie is zo hoog dat direct na het opnemen van het beeld, de verlichte objecten houden op te bestaan. Gelukkig, het observatieproces kan vele malen worden herhaald. De beelden die tijdens een langere sessie zijn verzameld, stellen wetenschappers in staat om alle stadia van de bestudeerde chemische reactie nauwkeurig te reconstrueren.

"De situatie kan worden vergeleken met pogingen om gebeurtenissen van hetzelfde type te fotograferen met een flitscamera. Als we genoeg foto's maken van een voldoende aantal van dezelfde gebeurtenissen, we kunnen ze gebruiken om een ​​film te maken met een hoge nauwkeurigheid die laat zien wat er gebeurt tijdens een enkele gebeurtenis, " legt Dr. Czapla-Masztafiak uit en legt uit:"Het probleem is dat de pulsen die worden gegenereerd in röntgenlasers ontstaan ​​in spontane zelfversterkende gestimuleerde emissie en niet volledig kunnen worden gecontroleerd."

Het spontane karakter van de pulsen betekent dat in röntgenlasers de parameters van volgende pulsen niet precies hetzelfde zijn. De pulsen verschijnen een keer eerder, een keer later, ze verschillen ook enigszins in de energie van fotonen en hun aantal. In de gepresenteerde analogie, dit zou overeenkomen met een situatie waarin volgende foto's worden gemaakt met verschillende flitsers, in aanvulling op, op willekeurige momenten geactiveerd.

De onvermijdelijke willekeur van röntgenpulsen dwong natuurkundigen om extra optische diagnostische apparatuur in FEL-lasers te monteren. Als resultaat, zelfs als de laser een oorspronkelijke puls van attoseconde heeft gegenereerd, het werd uitgebreid met röntgenoptica tot femtoseconden. Nu blijkt dat om de elektronische toestanden van atomen of moleculen vast te leggen op een manier die reconstructie van chemische reacties mogelijk maakt, impulsen met nauwkeurig geregelde parameters zijn niet nodig.

"Door röntgenoptica te verwijderen, konden we pulsen met extreem hoge energie gebruiken om niet-lineaire effecten te bestuderen. Dit betekent dat atomen op een gegeven moment transparant worden voor röntgenstralen, die op zijn beurt gepaard gaat met een toename van de absorptie in een ander stralingsbereik, " legt Dr. Szlachetko uit.

De nieuwe methode zal in samenwerking met IFJ PAN worden geïntroduceerd in experimenten met beide huidige röntgenlasers:European XFEL bij Hamburg (Duitsland) en SwissFEL in Villigen (Zwitserland). Het werk met betrekking tot het testen van de nieuwe techniek in de context van chemische experimenten werd uitgevoerd in nauwe samenwerking met Dr. Jacinto Sa van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau en de Universiteit van Uppsala.

In de context van de voorgestelde techniek, het is de moeite waard om te benadrukken dat er in het geval van klassieke optica enkele puur fysieke beperkingen zijn met betrekking tot de resolutie van de optische instrumenten, bijvoorbeeld de beroemde diffractielimiet. Er zijn geen fysieke beperkingen in de nieuwe methode, omdat er geen optica is. Dus, als röntgenlasers verschijnen met nog kortere pulsen dan die momenteel worden gegenereerd, de nieuwe techniek kan er met succes mee worden gebruikt.