Onderzoekers hebben een nieuwe hoogfrequente laserfaciliteit opgericht aan de Universiteit van Tokio. De coherente extreem-ultraviolette lichtbron kan details van biologische of fysieke monsters met ongekende helderheid onthullen. Het maakt ook onderzoek mogelijk van tijdsafhankelijke fenomenen zoals ultrasnelle chemische reacties. Bestaande faciliteiten voor dergelijk onderzoek vereisen noodzakelijkerwijs enorme deeltjesversnellers en zijn voor veel onderzoekers onbetaalbaar. Deze nieuwe faciliteit moet de toegang voor een breed scala aan onderzoekers aanzienlijk verbeteren.

Ultraviolet (UV) licht van de zon helpt het lichaam vitamine D aan te maken en zorgt ervoor dat zonnepanelen stroom opwekken, en röntgenstralen kunnen worden gebruikt voor medische beeldvorming om gebroken botten of andere aandoeningen te vinden. Maar buiten deze aspecten, UV-licht en röntgenstralen zijn ook essentiële hulpmiddelen voor het onderzoek van de fysieke wereld. Onderzoekers gebruiken deze vormen van licht om details van biologische, chemische en fysieke monsters zoals hun samenstelling, structuur en gedrag.

Twee soorten licht die vooral nuttig zijn voor state-of-the-art onderzoek naar snelwerkende verschijnselen, zoals bepaalde chemische reacties of biologische processen, zijn coherente extreem ultraviolet (XUV) en zachte röntgenstralen. Dit zijn beide zeer precieze vormen van licht met fijn gecontroleerde parameters, vergelijkbaar met laserpulsen, cruciaal voor het uitvoeren van goede rigoureuze experimenten. Echter, er zijn enkele nadelen aan de manier waarop deze balken worden gemaakt.

"Faciliteiten om coherente XUV en zachte röntgenstralen te produceren zijn enorme machines gebaseerd op deeltjesversnellers - zoals kleinere versies van de Large Hadron Collider in Europa, " zei professor Katsumi Midorikawa van het UTokyo Institute for Photon Science and Technology en RIKEN Center for Advanced Photonics. "Gezien de zeldzaamheid van deze faciliteiten en de kosten van het uitvoeren van experimenten daar, het vormt een barrière voor velen die ze zouden willen gebruiken. Dit is wat mij en collega's van UTokyo en RIKEN ertoe heeft aangezet om een ​​nieuw soort faciliteit te creëren waarvan we hopen dat deze veel toegankelijker zal zijn voor een groter aantal onderzoekers om te gebruiken."

De nieuwe XUV-bronfaciliteit is veel, veel kleiner dan alles wat eraan vooraf is gegaan. Het is gehuisvest in een relatief bescheiden laboratorium ondergronds aan de Universiteit van Tokio. Het grootste deel van de machine is een vacuümcontainer van 5 bij 2 meter met een ring van 100 meter lang, of resonator, waarin een krachtig laserlicht is opgeslagen. Op twee plaatsen op deze spoel bevinden zich holtes met edelgassen die de eigenschappen van de passerende laser veranderen. Dit resulteert in de twee afzonderlijke bundels van XUV en zachte röntgenstralen, die worden gegoten op monsters die worden onderzocht. Licht dat door de monsters wordt gereflecteerd, wordt vervolgens afgelezen door beeldsensoren met hoge snelheid.

"Wat echt nieuw is aan onze aanpak, is dat de XUV- en zachte röntgenpulsen extreem kort zijn, maar optreden bij zeer hoge frequenties, in de regio van megahertz, of miljoenen cycli per seconde, " zei Midorikawa. "Voor perspectief, gevestigde XUV-faciliteiten die synchrotronstralingspulsen in het megahertz-gebied gebruiken, hebben langere bursts die minder geschikt zijn voor het oplossen van dynamische verschijnselen. En degenen die zogenaamde röntgenvrije elektronenlaserbronnen gebruiken, hebben korte pulsen, maar bieden lage frequenties van ongeveer 10 hertz tot 100 hertz. Onze faciliteit biedt dus het beste van twee werelden, met het extra voordeel dat het slechts een fractie van de grootte is en met veel lagere bedrijfskosten."

Deze nieuwe XUV-bron biedt ultrakorte pulsen, handig voor het onderzoeken van snelle verschijnselen, en hoge frequenties, nuttig voor het onderzoeken van de structuur en chemische eigenschappen van materie. Dit is mogelijk dankzij het proces dat de pulsen creëert terwijl de laser interageert met het gas. Het wordt hoge-orde harmonische generatie genoemd, en de faciliteit is de eerste in zijn soort die meerdere XUV- en zachte röntgenstralen kan produceren.

"Ik werk al 30 jaar op het gebied van XUV-generatie en -toepassing. Hoewel het genereren van hoge-orde harmonische een doorbraak op dit gebied bracht, de generatie-efficiëntie en pulsherhalingsfrequentie waren voor veel toepassingen nog onvoldoende, " zei Midorikawa. "Toen ik het idee van deze faciliteit voorstelde aan mijn collega's, ze waren meteen geïnteresseerd en we hebben een passend budget kunnen verwerven om het af te ronden. We hopen allemaal dat dit de deur zal openen naar nieuw onderzoek van materiaalwetenschappers, scheikundigen en biologen die eindelijk toegang hebben tot dit verbazingwekkende en krachtige onderzoeksinstrument."