Een groot internationaal team van wetenschappers van verschillende onderzoeksorganisaties, waaronder het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), heeft een methode ontwikkeld die de toch al ultrasnelle tijdresolutie die haalbaar is met X-ray free-electron lasers (XFEL's) drastisch verbetert. Het zou kunnen leiden tot doorbraken in het ontwerpen van nieuwe materialen en efficiëntere chemische processen.

Een XFEL-apparaat is een krachtige combinatie van deeltjesversneller en lasertechnologie die extreem briljante en ultrakorte pulsen van röntgenstraling produceert voor wetenschappelijk onderzoek. "Met deze technologie wetenschappers kunnen nu processen volgen die plaatsvinden binnen miljoenen van een miljardste van een seconde (femtoseconden) met afmetingen tot op atomaire schaal, " zei Gilles Doumy, een natuurkundige in de chemische wetenschappen en ingenieursafdeling van Argonne. "Onze methode maakt het mogelijk om dit voor nog snellere tijden te doen."

Een van de meest veelbelovende toepassingen van XFEL's was in de biologische wetenschappen. Bij dergelijk onderzoek is wetenschappers kunnen vastleggen hoe biologische processen die fundamenteel zijn voor het leven in de loop van de tijd veranderen, zelfs voordat de straling van de röntgenstralen van de laser de monsters vernietigt. Bij natuurkunde en scheikunde deze röntgenstralen kunnen ook licht werpen op de snelste processen die in de natuur plaatsvinden met een sluitertijd van slechts een femtoseconde. Dergelijke processen omvatten het maken en verbreken van chemische bindingen en de trillingen van atomen op dunne filmoppervlakken.

Al meer dan tien jaar leveren XFEL's intense, femtoseconde röntgenpulsen, met recente uitstapjes naar het sub-femtoseconde regime (attoseconde). Echter, op deze minuscule tijdschalen, het is moeilijk om de röntgenpuls die een reactie in het monster veroorzaakt, te synchroniseren met de laserpuls die deze "waarneemt". Dit probleem wordt timingjitter genoemd.

Hoofdauteur Dan Haynes, een doctoraatsstudent aan het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, zei, "Het is alsof je het einde van een race probeert te fotograferen, terwijl de sluiter van de camera op elk moment in de laatste tien seconden kan worden geactiveerd."

Om het jitterprobleem te omzeilen, kwam het onderzoeksteam met een baanbrekende, zeer nauwkeurige benadering genaamd "self-referenced attosecond streaking." Het team demonstreerde hun methode door een fundamenteel vervalproces in neongas te meten bij de Linac Coherent Light Source, een DOE Office of Science User Facility bij SLAC National Accelerator Laboratory.

Doumy en zijn toenmalige adviseur, Professor Louis DiMauro van de Ohio State University, had de meting voor het eerst voorgesteld in 2012.

In het vervalproces, genaamd Auger verval, een röntgenpuls katapulteert atomaire kernelektronen in het monster uit hun plaats. Dit leidt tot hun vervanging door elektronen in buitenste atomaire schillen. Terwijl deze buitenste elektronen ontspannen, ze geven energie vrij. Dat proces kan de emissie van een ander elektron induceren, bekend als een Auger-elektron. Stralingsschade treedt op als gevolg van zowel de intense röntgenstralen als de voortdurende emissie van Auger-elektronen, die het monster snel kunnen afbreken. Bij röntgenbelichting, de neonatomen zenden ook elektronen uit, foto-elektronen genoemd.

Nadat beide typen elektronen zijn blootgesteld aan een externe "strepende" laserpuls, de onderzoekers bepaalden hun uiteindelijke energie in elk van tienduizenden individuele metingen.

"Van die metingen we kunnen het verval van Auger in de tijd volgen met sub-femtoseconde precisie, ook al was de timing-jitter honderd keer groter, " zei Doumy. "De techniek is gebaseerd op het feit dat Auger-elektronen iets later worden uitgezonden dan de foto-elektronen en dus een interactie aangaan met een ander deel van de streaking-laserpuls."

Deze factor vormt de basis van de techniek. Door zoveel individuele waarnemingen te combineren, het team was in staat om een ​​gedetailleerde kaart te maken van het fysieke vervalproces. Uit die informatie, ze konden de karakteristieke tijdsvertraging tussen de foto-elektron en Auger-elektronenemissie bepalen.

De onderzoekers hopen dat naar zichzelf verwijzende strepen een brede impact zullen hebben op het gebied van ultrasnelle wetenschap. Eigenlijk, de techniek maakt het mogelijk om traditionele attoseconde streaking spectroscopie uit te breiden naar XFEL's over de hele wereld naarmate ze de attoseconde grens naderen. Op deze manier, naar zichzelf verwijzende strepen kan een nieuwe klasse van experimenten mogelijk maken die profiteren van de flexibiliteit en extreme intensiteit van XFEL's zonder afbreuk te doen aan de tijdresolutie.