Sinds 1960, toen Theodore Maiman 's werelds eerste infraroodlaser bouwde, natuurkundigen droomden ervan röntgenlaserpulsen te produceren die in staat zijn om de ultrakorte en ultrasnelle schalen van atomen en moleculen te onderzoeken.

Deze droom werd uiteindelijk gerealiseerd in 2009, toen 's werelds eerste harde röntgenvrije-elektronenlaser (XFEL), de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, produceerde zijn eerste licht. Een beperking van LCLS en andere XFEL's in hun normale werkingsmodus is dat elke puls een iets andere golflengteverdeling heeft, en er kan variabiliteit zijn in de pulslengte en -intensiteit. Er bestaan ​​verschillende methoden om deze beperking aan te pakken, inclusief het 'zaaien' van de laser op een bepaalde golflengte, maar deze voldoen nog steeds niet aan de golflengtezuiverheid van conventionele lasers.

Nutsvoorzieningen, SLAC-onderzoekers ontwikkelen een compact apparaat dat röntgenpulsen van hogere kwaliteit kan creëren bij LCLS met een aanpak die is geïnspireerd op optische lasers. Het nieuwe instrument zou het bereik van röntgenlasers kunnen vergroten, nieuwe experimentele wegen openen op gebieden zoals biologie, scheikunde, materiaalkunde en natuurkunde. Hun recente bevindingen werden vorige week gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Terwijl de röntgenwetenschap in de komende decennia vooruitgang blijft boeken, we moeten gaan nadenken over betere technologieën, " zegt co-auteur Claudio Pellegrini, een vooraanstaande emeritus hoogleraar natuurkunde aan de UCLA en adjunct-professor aan de SLAC wiens werk de wetenschappelijke basis legde voor de ontwikkeling van LCLS. "De huidige kwaliteit van onze röntgenpulsen zou voor nu kunnen werken, maar om vooruit te blijven in het veld, moeten we voortdurend nieuwe en betere manieren bedenken om betere röntgenpulsen te creëren."

In de lus

In het hart van bijna elke optische laser bevindt zich een oscillator, die fotonen door een reeks spiegelreflecties leidt rond wat bekend staat als het versterkingsmedium, een materiaal dat wordt gebruikt om het licht te versterken, produceren een steeds intensere straal bij elke lus. Eventueel, een monochromatische, of enkele kleur, volledig coherente laserstraal wordt vrijgegeven. Het doel is om een ​​laseroscillator te ontwerpen die zou werken met röntgenstralen, een langdurige uitdaging op lasergebied.

In dit voorgestelde apparaat, de onderzoekers beginnen met het verzenden van een eerste röntgenpuls van LCLS langs de bundellijn. Deze puls gaat door een vloeistofstraal, waar het opgewonden atomen creëert die een kleine hoeveelheid uitgezonden straling produceren in één duidelijke kleur die in dezelfde richting beweegt. Deze laserpuls wordt gereflecteerd door een reeks spiegels die in een lus zijn gerangschikt. Na het voltooien van de lus, de puls komt overeen met een tweede röntgenpuls van LCLS en produceert een nog helderdere laserpuls, die vervolgens dezelfde lus neemt. Het proces wordt meerdere keren herhaald, en met elke lus wordt de laserpuls intenser en coherenter. Tijdens de laatste lus, een van de spiegels wordt snel geschakeld waardoor deze laserpuls kan ontsnappen.

"Het resultaat zal een volledig coherente röntgenlaserpuls zijn die helderder en schoner is dan die gemaakt met alleen een XFEL, ", zegt hoofdauteur en SLAC-onderzoeksmedewerker Alex Halavanau.

Klein maar machtig

Het project maakt deel uit van een driejarige inspanning die onlangs DOE-financiering ontving. Terwijl het team het apparaat blijft ontwikkelen, ze zullen het gaan testen bij LCLS in de komende experimentele run.

"Het doel is om bij LCLS een compact instrument te bouwen dat röntgenlaserpulsen van de hoogste kwaliteit levert voor het met ongekende precisie sonderen van materie op het niveau van atomen en moleculen. " zegt co-auteur Uwe Bergmann, een vooraanstaande stafwetenschapper bij SLAC.

"Er zijn nog twee andere lopende projecten bij LCLS, XFELO en RAFEL, die gericht zijn op het leveren van nauwkeurige röntgenlaserpulsen met een oscillator, "Pellegrini voegt eraan toe, verwijzend naar projecten die worden ontwikkeld in samenwerking met het Argonne National Laboratory van de DOE en industriële partners via DOE-financiering. "Ons compacte apparaat zal een aanvulling zijn op deze veel grotere instrumenten en hun eigenschappen. Dit onderzoek zal de komende decennia opwindende kansen bieden bij LCLS."