Moderne röntgenlaserfaciliteiten zoals de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy stellen wetenschappers in staat te bestuderen hoe de natuur zich gedraagt ​​op ultrakleine en ultrasnelle schalen. Echter, de individuele röntgenpulsen zijn onstabiel, schommelend van schot tot schot, en veel achtergrondgeluid produceren dat het signaal kan verduisteren in experimenten met hoge resolutie.

Nutsvoorzieningen, SLAC-wetenschappers hebben een methode ontwikkeld om helderdere röntgenstralen te produceren die stabieler en coherenter zijn, met golflengten die meer synchroon met elkaar zijn. Dit kan de efficiëntie van het verzamelen van gegevens vergroten en de weg vrijmaken voor nieuwe soorten experimenten. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Hulpmiddelen voor de wetenschap

De laatste jaren, het team heeft gezocht naar manieren om de prestaties van de LCLS te verbeteren door de kwaliteit van de pulsen te verbeteren.

"Het produceren van een perfecte röntgenlaser is een van de ultieme doelen in onze gemeenschap." zegt co-auteur en SLAC-wetenschapper Zhen Zhang. "We wilden een manier vinden om röntgenpulsen te laten lijken op die van een klassieke optische laser, die zowel stabiel als coherent zijn."

Bob Schoenlein, LCLS-plaatsvervanger voor Wetenschap, zegt dat dit onderzoek XFEL's nog belangrijker en veelzijdiger instrumenten voor de wetenschap zal maken.

"Dit is een veelbelovende benadering voor het beheersen van de coherentie-eigenschappen van LCLS-röntgenpulsen, " zegt hij. "Het zal studies van complexe materialen en moleculaire systemen mogelijk maken met een voortreffelijke resolutie in zowel tijd als energie."

Beste van twee werelden

De onderzoekers hadden bestaande benaderingen bestudeerd om schonere röntgenpulsen te genereren, zoals het filteren van de ruisende pulsen en het opnieuw injecteren ervan in de XFEL met behulp van een concept genaamd "self-seeding, " maar ontdekte dat er een fundamentele wisselwerking is tussen zeer coherente pulsen en zeer stabiele pulsen. In de traditionele methode voor zelfzaaien, het was niet mogelijk om beide tegelijk te hebben.

Ze realiseerden zich dat ze een heel andere aanpak nodig hadden om dit probleem te omzeilen. Toen kwam hoofdauteur en SLAC-wetenschapper Erik Hemsing op het idee om ultrakorte röntgenpulsen uit te rekken, waarvan de unieke eigenschappen de onderzoekers in staat stellen de pulsen te stabiliseren en te zuiveren.

"In plaats van het lange te filteren, ruisende pulsen zoals bij conventioneel zelfzaaien, we realiseerden ons dat we in plaats daarvan eerst ultrakorte coherente pulsen moesten produceren en ze dan moesten uitrekken en versterken, "zegt Hemsing. "Deze kant op, volgens onze studies, we zijn in staat om tegelijkertijd de stabiliteit en de samenhang aanzienlijk te vergroten."

Het concept is gebaseerd op het feit dat de ultrakorte pulsen veel minder ruis en coherenter kunnen zijn dan lange pulsen, vooral als ze hun maximale vermogen bereiken. Het probleem is dat de korte pulsen niet veel energie dragen en niet ideaal zijn voor bepaalde wetenschappelijke toepassingen met hoge resolutie. De onderzoekers vonden een manier om deze pulsen te filteren, versterk ze dan met een factor 10, 000.

"Het stelt ons in staat om de resultaten te krijgen die we willen zonder grote aanpassingen aan de bestaande setup, ", zegt co-auteur en SLAC-onderzoeksmedewerker Alex Halavanau.

Het op de proef stellen

Om dit onderzoek op te volgen, het team hoopt het idee te testen bij LCLS. In de toekomst, Halavanau zegt, ze willen de techniek uitbreiden naar meer energetische "harde" röntgenstralen, en gebruik nieuwe, aangepaste zachte röntgenpulsen mogelijk gemaakt door deze techniek om de fysica van atomen beter te begrijpen, fotonen en elektronen.

Zhirong Huang, directeur van de SLAC Accelerator Research Division, zegt:"We kijken ernaar uit om dit idee te laten werken in de nieuwe zachte röntgenundulator die binnenkort online zal komen voor LCLS-II."