- Das SLAC-Forschungsteam erzeugte die kürzesten hochenergetischen Röntgenpulse mit einer Dauer von 100 bis 400 Attosekunden.
- Die ultrakurzen Pulse ermöglichen die Beobachtung perfekter Strukturen und reduzieren Strahlenschäden, was einen wichtigen Meilenstein für Forscher darstellt.
- Neue Technologien erweitern die Attosekundenwissenschaft auf einen Photonenergiebereich von etwa 9 keV.
- Attosekunden harte Röntgenstrahlen können unveränderte Zustände in Form von Schnappschüssen erfassen und verbessern die Bildgebung im Nanomaßstab.
Forscher der Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC haben den kürzesten hochenergetischen ("harten") Röntgenpulse erzeugt und gemessen, die jemals in einem Röntgenfreielektronenlaser (XFEL) aufgezeichnet wurden. Die Studie bestätigte, dass die Pulsdauer bei hohen Photonenergien (ca. 9 keV) zwischen 100 und 400 Attosekunden liegt. Diese "harten" Röntgenblitze verändern grundlegend, wie wir quantenmechanische Materie beobachten und kontrollieren. Wissenschaftler nutzen bereits diese ultrakurzen Pulse, um die Bewegung von Elektronen in Atomen und dichten Plasmen in Echtzeit einzufangen.
Diese ultrakurzen Pulse ermöglichen es Wissenschaftlern, perfekte Strukturen zu beobachten und die durch die Röntgenstrahlen selbst verursachten Strahlenschäden zu überwinden. "Das ist ein wichtiger Meilenstein für Forscher, die hoffen, attosekunden harte Röntgenstrahlen am LCLS zu nutzen", sagte Professor Ichiro Inoue von der Universität Tokio.
Erzeugung und Messung von Attosekundenpulsen
Die Erzeugung von Attosekundenpulsen ist äußerst schwierig, die Messung eines Pulses ist noch herausfordernder. "Im Laufe der Jahre haben wir gelernt, wie man diese hochenergetischen Attosekundenpulse erzeugt, aber die Messung eines so kurzen Pulses ist wirklich sehr schwierig. Dies ist das erste Diagnosewerkzeug, das beweist, dass der Puls tatsächlich nur einige hundert Attosekunden lang ist", erklärte der Forschungsautor und SLAC-Professor Agostino Marinelli. Die Lösung kam von dem Hauptautor Inoue, der eine indirekte Messtechnik vorschlug, die die amplifizierte spontane Emission (ASE) nutzt. ASE besteht im Wesentlichen darin, den Röntgenstrahl zu teilen, um sein Energiespektrum direkt zu messen, während das verbleibende Licht auf eine Kupferfolie fokussiert wird, um Vorwärtsfluoreszenz zu erzeugen.
Die Forscher testeten die Linac Coherent Light Source von SLAC, indem sie einen hochenergetischen Strahl abfeuerten und ihn in zwei Pfade aufteilten. Ein Teil erreichte direkt den Detektor zur Aufzeichnung des Energiespektrums, während das verbleibende Licht auf einen 150-Nanometer-Punkt auf der Kupferfolie konzentriert wurde, um fluoreszierende Strahlung zu erzeugen. Die Kombination der Messungen von zwei Detektoren ermöglichte es dem Team, die genaue, momentane Dauer des Pulses zu berechnen. Diese Technik erweitert die Attosekundenwissenschaft auf einen Photonenergiebereich von etwa 9 keV, was einen quantitativen Sprung über frühere Experimente darstellt, die unter 5 keV betrieben wurden.
Warum sind diese ultrakurzen harten Röntgenstrahlen so wichtig? Tiefe und Geschwindigkeit. Niedrigenergetische weiche Röntgenstrahlen sind geeignet, um chemische Bindungen in den Elektronenschalen von Atomen zu beobachten. Hochenergetische harte Röntgenstrahlen (über 5 keV) können in dichte Materialien eindringen und es Wissenschaftlern ermöglichen, die Elektronenposition mit atomarer Präzision zu bestimmen. "Plasmaphysik ist sehr chaotisch. Normalerweise regen wir das Sample an, und dann entspannt und reorganisiert sich das System, bevor wir Messungen extrahieren können. Oft sind wir gezwungen, auf Modellierungen zurückzugreifen und Annahmen über das zu machen, was tatsächlich passiert", sagte der Physiker Sam Vinko von der Universität Oxford.
Anwendungen von attosekunden harten Röntgenstrahlen
Wissenschaftler können jetzt extreme Systeme anvisieren, wie die Systeme in Experimenten zur Trägheitskernfusion, und die angeregten Zustände des gefrorenen Kerns erfassen, bevor sie verschwommen oder sich verändern. Röntgenstrahlen zerstören normalerweise die feinen Proben, die sie scannen, aber attosekunden harte Röntgenstrahlen verhindern diese Zerstörung, da sie extrem schnell sind. Da der Blitz endet, bevor Schäden oder Zerfall auftreten, können Forscher Schnappschüsse des Systems im unveränderten Zustand aufnehmen. Tais Gorkhover von der Universität Hamburg ist der Meinung, dass diese Fähigkeit nicht nur die Bildgebung im Nanomaßstab verbessern wird, sondern auch helfen könnte, die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie vollständig zu kontrollieren oder sogar umzukehren.
Der neueste Meilenstein von SLAC eröffnet eine neue Ära für die Quantenmechanik und bietet Forschern eine Kamera mit einem schnelleren Verschluss als der Zerfall von Atomen.
Einfluss von attosekunden harten Röntgenstrahlen auf die Quantenforschung
Die Entwicklung von attosekunden harten Röntgenstrahlen stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenmechanik dar, da sie es ermöglichen, momentane Phänomene ohne Beschädigung der Proben einzufangen. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, quantenmechanische Systeme präziser zu beobachten und zu steuern, insbesondere in Situationen mit hoher Energie und dichten Materialien. Mit dem Fortschritt der Technologie werden zukünftige Forschungen in der Lage sein, das dynamische Verhalten auf atomarer und molekularer Ebene eingehender zu erkunden, was für Bereiche wie Materialwissenschaften und Energieforschung von großer Bedeutung ist.