Ze zijn overal, om ons heen en in ons. Verschijnselen die biljoensten van een seconde duren, vormen de kern van scheikunde en biologie. Het is pas sinds kort dat we zijn begonnen met het nauwkeurig vastleggen van hun werkelijke koers, met redelijk succes. Natuurkundigen uit Krakau hebben echter bewezen dat het nieuwe venster op de wereld van de attofysica kan worden gebouwd, met een veelbelovend uitzicht.

Of het nu in de diepten van een cel is of in een reageerbuis, chemische reacties die veranderingen in de configuratie van elektronen in atomen en moleculen met zich meebrengen, vinden met opmerkelijke snelheid plaats. Hun prevalentie en belang wekken de begrijpelijke nieuwsgierigheid van wetenschappers, die lang hebben geprobeerd hun evolutie in de tijd vast te leggen. De huidige methoden met het gebruik van röntgenstraling, tot nu toe ontwikkeld voor het waarnemen van fenomenen die attoseconden duren, stellen hoge eisen aan de parameters van de gebruikte stralingsbundel. De situatie zal de komende jaren waarschijnlijk verbeteren dankzij een nieuwe meetmethode die is voorgesteld door een groep wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau.

Het verloop van verschijnselen zo snel volgen als de binding van atomen tot moleculen is nu vooral mogelijk dankzij X-Ray Free-Electron Lasers (XFEL). Deze apparaten, die vanwege hun omvang en constructiekosten op slechts een paar locaties in de wereld worden gebruikt, genereren ultrakorte pulsen van röntgenstralen, die slechts enkele femtoseconden duren.

Centra die zijn uitgerust met XFEL-lasers gebruiken twee basismeettechnieken die bekend staan ​​als röntgenspectroscopie en röntgendiffractie. De eerste richt zich op het analyseren van veranderingen in het stralingsspectrum tijdens de interactie met het monster, terwijl de laatste bestudeert hoe de röntgenstralen op het monster verstrooien. Beide methoden hebben dezelfde beperking:ze laten ons niet toe om processen te 'zien' die korter zijn dan de pulsduur. Dit is de reden waarom de snelste verschijnselen die tot nu toe zijn waargenomen bij de Europese XFEL-laser in de buurt van Hamburg, bijvoorbeeld 5 femtoseconden duurden.

"Een paar femtoseconden is niet erg lang, maar dit is nog steeds niet de wereld van de attofysica. Om dit te bereiken, zijn we overgestapt op chronoscopie, dat wil zeggen een techniek die analyseert hoe pulsen van vorm veranderen in de loop van de tijd. We hebben theoretisch aangetoond dat deze methode met succes kan worden gebruikt voor ultrakorte röntgenpulsen om informatie te verkrijgen over de veranderingen in de vorm van de pulsen voor en na interactie met het monster", zegt Dr. Wojciech Blachucki (IFJ PAN), eerste auteur van het artikel in Toegepaste wetenschappen .

In deze publicatie wordt getoond dat het bij ultrakorte laserpulsen mogelijk is hun temporele structuur te meten, d.w.z. informatie te verkrijgen over de pulsvorm. Deze benadering maakt het mogelijk om fenomenen uit de wereld van de attofysica af te leiden, zelfs bij de huidige stand van de technische ontwikkeling van XFEL's. Als de laserpuls zelfs 20 femtoseconden zou duren, maar de informatie over de tijdsstructuur ervan zou kunnen worden gereconstrueerd, bijvoorbeeld in 100 punten, zou het mogelijk zijn om verschijnselen op te merken die optreden op een tijdstip van 20/100 =1/5 femtoseconde, d.w.z. , 200 attoseconden.

Het is belangrijk op te merken dat op dit moment soms een tijdresolutie van minder dan één femtoseconde kon worden bereikt, maar de intensiteit van de laserstraal moest aanzienlijk worden verminderd. Deze procedure heeft krachtige bijwerkingen. De bestralingstijd van monsters wordt verlengd tot vele uren, wat het in de praktijk onmogelijk maakt om toegepast onderzoek uit te voeren. Röntgenchronoscopie heeft deze beperking niet en elimineert de vereisten voor stralingspulsen door gebruik te maken van een gevoelige methode voor het meten van hun temporele structuur. Na de implementatie zouden de huidige lasercentra een deel van hun werktijd kunnen besteden aan attoseconde-metingen die worden uitgevoerd voor externe entiteiten, bijvoorbeeld die verband houden met de industrie.

Het zal echter nog enkele jaren duren voordat röntgenchronoscopie een standaard onderzoekstechniek wordt. De eerste stap naar de implementatie ervan zal zijn om aan te tonen dat de gemiddelde duur van de laserpuls voor en na interactie met het monster verschillend is. Dit zou een experimentele bevestiging zijn van de juistheid van de methode beschreven door de fysici uit Krakau. Pas in de volgende fase zouden de onderzoekers zich richten op een nauwkeurigere reconstructie van de tijdstructuur van impulsen voor en na contact met het monster.

"De meettechniek die we voorstellen is niet alleen beperkt tot vrije-elektronenlasers, maar is universeel van aard. Het kan dus ook met succes worden gebruikt in het geval van andere bronnen die ultrakorte röntgenpulsen genereren, zoals de Extreme Light Infrastructuurfaciliteit in de buurt van Praag", benadrukt Dr. Jakub Szlachetko (IFJ PAN). + Verder verkennen

Mechanisme achter XFEL-geïnduceerd smelten van diamant onthuld