Wetenschap
Onderzoek naar het ultrakleine en ultrasnelle door vooruitgang in de attosecondewetenschap
In eerder onderzoek ontwikkelden de onderzoekers een manier om röntgenlaseruitbarstingen te produceren die enkele honderden attoseconden (of miljardsten van een miljardste van een seconde) lang zijn. Deze methode, genaamd X-ray laser-enhanced attosecond pulsegeneration (XLEAP), stelt wetenschappers in staat te onderzoeken hoe elektronen die rond moleculen vliegen, belangrijke processen in de biologie, scheikunde, materiaalkunde en meer op gang brengen.
Nu heeft het team, onder leiding van SLAC-wetenschappers Agostino Marinelli en James Cryan, nieuwe hulpmiddelen ontwikkeld om deze attosecondepulsen op baanbrekende manieren te gebruiken:het eerste gebruik van attosecondepulsen in pompsonde-experimenten en de productie van de krachtigste attoseconde röntgenpulsen ooit gemeld. De experimenten, uitgevoerd bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenvrije-elektronenlaser en gepubliceerd in twee artikelen in Nature Photonics , zou een revolutie teweeg kunnen brengen in vakgebieden variërend van scheikunde tot materiaalkunde door inzicht te bieden in de snelste bewegingen in atomen en moleculen.
Een nieuwe methode voor het meten van ultrasnelle verschijnselen
In de eerste ontwikkeling introduceerden onderzoekers een nieuwe benadering voor het uitvoeren van 'pompsonde'-experimenten met attoseconde röntgenpulsen. Deze experimenten, gericht op het meten van ultrasnelle gebeurtenissen die korter zijn dan een biljoenste van een seconde, omvatten het opwekken van atomen met een "pomppuls", gevolgd door het onderzoeken ervan met een tweede puls om de resulterende veranderingen waar te nemen.
Met deze techniek konden wetenschappers de elektronenbewegingen binnen atomen en moleculen volgen en meten – een cruciaal proces dat chemische reacties, materiaaleigenschappen en biologische functies beïnvloedt. Ze bereikten dit door paren laserpulsen in twee kleuren te genereren en de vertraging daartussen nauwgezet te regelen tot slechts 270 attoseconden.
"Deze mogelijkheid ontsluit nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van de interactie van licht met materie op het meest fundamentele niveau", aldus Cryan. "Het is opwindend omdat het zich heeft ontwikkeld tot een praktisch hulpmiddel, waardoor we de elektronendynamiek kunnen zien die ooit buiten ons bereik lag. We observeren nu processen die plaatsvinden op tijdschalen die de tijd benaderen die licht nodig heeft om een molecuul te passeren." P>
In een recent artikel gebruikten onderzoekers deze techniek om elektronen in realtime in vloeibaar water te observeren. Toekomstige studies zullen deze methode toepassen op verschillende moleculaire systemen, waardoor de nauwkeurigheid van deze metingen wordt verfijnd en de toepassing ervan in wetenschappelijke disciplines wordt uitgebreid.
Attosecondepulsen met hoog vermogen creëren
De tweede ontwikkeling concentreerde zich op het genereren van krachtige attosecondepulsen met behulp van een techniek die bekend staat als "superstraling", waarbij vermogensniveaus van bijna één terawatt werden bereikt. Dit proces omvatte een cascade-effect in een röntgenvrije-elektronenlaser, waardoor het vermogen van de pulsen aanzienlijk werd versterkt.
Door de verhoogde intensiteit van deze pulsen kunnen wetenschappers unieke toestanden van materie onderzoeken en getuige zijn van verschijnselen die zich op nog kortere tijdschalen voordoen.
"Dit zijn de krachtigste attoseconde röntgenpulsen die ooit zijn gerapporteerd. De intensiteit van deze pulsen stelt ons in staat geheel nieuwe regimes van röntgenwetenschap te verkennen," zei Marinelli. "We hebben de grenzen van de röntgenpulsenergie verlegd en vermogensniveaus bereikt die nieuwe experimentele gebieden openen. Dit resultaat werd bereikt dankzij een speciaal type golf dat zijn vorm en snelheid behoudt terwijl het zich voortplant door de elektronenbundel, op dramatische wijze." het verbeteren van de intensiteit en energie van onze hartslag."
De onderzoekers zijn van plan deze technologie verder te verfijnen om de stabiliteit en controle van deze krachtige pulsen te verbeteren, met als doel de toepassing ervan over diverse wetenschappelijke gebieden te verbreden.
Wetenschappelijke verkenning vooruit
Deze ontwikkelingen verleggen de grenzen van onze waarnemings- en meetmogelijkheden en bereiden de weg voor toekomstige wetenschappelijke doorbraken die ons begrip van de natuurlijke wereld kunnen transformeren.
Het observeren van bewegende atomen en elektronen vergemakkelijkt het ontwerp van nieuwe materialen met op maat gemaakte eigenschappen voor technologie, energie en andere gebieden. Het begrijpen van de elektronenbeweging tijdens chemische reacties kan ook intelligente chemische ontwerpprincipes vergemakkelijken.
"Deze studies verdiepen niet alleen ons begrip van de natuurkunde, maar maken ook de weg vrij voor toekomstige innovaties die ons begrip van elektronengestuurde processen zouden kunnen transformeren," zei Cryan. "Elke attoseconde-puls die we genereren biedt een nieuwe blik op de bouwstenen van de natuur, waardoor een dynamiek wordt onthuld die voorheen aan het zicht was onttrokken. We verwachten nog veel meer spannende ontdekkingen in het verschiet."