Ilmuwan Inovatif Mengonsentrasikan Puls X-Ray Super Pendek, Mencapai Rekor Intensitas yang Belum Pernah Ada

Elektron bergerak dengan sangat cepat di dalam atom dan molekul, sehingga mempelajari perilakunya memerlukan kilatan cahaya yang hanya berlangsung selama satu miliar dari satu miliar detik. Kini, para ilmuwan telah menemukan cara untuk memusatkan kilatan X-ray super pendek ini pada satu titik kecil, sehingga saat mengenai sampel, energi yang dihasilkan menjadi lebih besar. Dalam eksperimen di European XFEL, para peneliti mencapai rekor baru dalam intensitas dan fluks puls X-ray keras dalam skala attosecond. Puncak intensitasnya melebihi 10²⁰ watt per sentimeter persegi.

Peneliti utama dari Universitas Tokyo, Iwasaki Ichiro, menyatakan: "Ini adalah rekor dunia untuk puls X-ray keras dalam hal intensitas dan fluks." Perkembangan ini dapat membantu ilmuwan mempelajari bagaimana elektron bereaksi terhadap cahaya yang kuat, dan akhirnya mengeksplorasi cara untuk mengontrol mereka dalam proses reaksi kimia.

Menggunakan Sistem Optik Canggih untuk Memfokuskan X-Ray

Eksperimen dilakukan pada April 2026, menggunakan kilatan X-ray yang berlangsung sekitar 300 attosecond. Attosecond adalah satu miliar dari satu miliar detik, yang memungkinkan puls ini digunakan untuk mempelajari beberapa proses tercepat yang melibatkan elektron. Para peneliti mengarahkan puls melalui sistem optik Kirkpatrick–Baez (AKB) canggih, yang terdiri dari dua cermin presisi. Setiap kilatan dipantulkan empat kali pada cermin. Satu cermin memfokuskan X-ray secara vertikal, sementara cermin lainnya memfokuskan secara horizontal, mengonsentrasikan berkas cahaya ke area hanya 180 × 330 nanometer.

Singkatnya, para peneliti berhasil memfokuskan X-ray ke area yang sekitar 100.000 kali lebih kecil dari penampang rambut manusia. Prestasi ini dibangun di atas penelitian awal di European XFEL, di mana para peneliti menunjukkan puls X-ray keras dalam skala kilowatt. Namun, menghasilkan puls yang kuat hanyalah sebagian dari masalah. Energi harus mencapai sampel dalam bentuk yang cukup terfokus untuk menghasilkan efek yang diinginkan, yang juga merupakan tantangan yang dihadapi oleh teknologi laser X-ray lainnya yang digunakan untuk penelitian materi pada skala kecil.

Salah satu peneliti, Yan Jiawei, menyatakan: "Beberapa tahun yang lalu, kami menunjukkan puls X-ray keras dalam skala kilowatt di European XFEL. Namun, menghasilkan puls yang kuat hanyalah langkah pertama. Yang benar-benar penting untuk eksperimen adalah hasil yang dapat kami berikan kepada sampel. Dengan perkembangan ini, kami sekarang dapat menggunakan X-ray attosecond untuk mengeksplorasi interaksi nonlinier yang sangat tinggi antara X-ray dan materi."

Untuk memverifikasi intensitas secara independen, tim peneliti mengarahkan puls X-ray ke selembar foil tembaga dan memeriksa cahaya yang dipancarkan oleh atom-atomnya. X-ray yang masuk akan mengeluarkan elektron dari kulit dalam atom tembaga, meninggalkan kekosongan atau lubang. Elektron dari kulit luar kemudian masuk ke dalam kekosongan ini, melepaskan energi dalam bentuk cahaya X-ray. Di bawah pencahayaan yang cukup kuat, emisi ini dapat merangsang atom tembaga lainnya yang terangsang untuk melepaskan X-ray yang bergerak ke arah yang sama. Efek penguatan yang dihasilkan akan menghasilkan sinyal yang lebih kuat dan lebih terfokus. Proses ini disebut Emisi Spontan Diperkuat (ASE), yang merupakan fenomena terkait dengan proses emisi yang dapat dilakukan oleh laser X-ray.

Penanggung jawab proyek eksperimen, Anders Madsen, menyatakan: "Melihat proses ini hampir seperti sihir. Fluoresensi normal akan menyebar ke segala arah, terlepas dari arah berkas cahaya yang masuk. Namun, ketika ambang ASE terlampaui, Anda akan melihat berkas mulai terfokus ke depan."

Pada awalnya, seiring dengan meningkatnya energi puls, sinyal ASE meningkat dengan cepat. Namun, pada energi yang lebih tinggi, sinyal mulai stabil, perilaku ini dikenal sebagai saturasi. Reaksi ini konsisten dengan intensitas yang sangat tinggi yang diperkirakan berdasarkan energi puls, durasi, dan ukuran titik fokus, memberikan pemeriksaan independen untuk perhitungan.

Aplikasi Potensial Puls X-Ray Kuat

Prestasi ini dapat membantu para peneliti mempelajari perilaku elektron dalam atom dan molekul, termasuk bagaimana materi bereaksi terhadap pencahayaan X-ray yang kuat. Dalam jangka panjang, penelitian ini mungkin membantu mengontrol elektron dalam proses reaksi kimia. Para peneliti telah menjelajahi cara untuk menangkap perubahan cepat ini, termasuk eksperimen yang memvisualisasikan elektron dan atom selama proses reaksi kimia. Namun, eksperimen ini menunjukkan produksi dan verifikasi puls X-ray yang kuat, bukan kontrol langsung terhadap elektron dalam proses reaksi. Saat ini, para peneliti menggunakan sistem cermin AKB yang dibawa dari Jepang.

European XFEL diperkirakan akan mendapatkan sistemnya sendiri pada awal 2027. Setelah instalasi dan pengujian, sistem ini akan memungkinkan kilatan X-ray yang pendek dan kuat ini tersedia untuk peneliti di seluruh dunia yang menggunakan instrumen MID fasilitas tersebut.

Dampak Teknologi Ini terhadap Penelitian Elektron

Terobosan teknologi ini terletak pada kemampuan untuk memusatkan puls X-ray yang sangat pendek, yang sangat penting untuk mempelajari perilaku elektron dalam atom dan molekul. Dengan peningkatan intensitas dan fluks, para ilmuwan akan dapat menyelidiki lebih dalam bagaimana elektron bereaksi di bawah cahaya yang kuat, dan mungkin di masa depan mencapai kontrol terhadap elektron dalam proses reaksi kimia. Ini tidak hanya akan mendorong perkembangan ilmu dasar, tetapi juga dapat membawa dampak revolusioner pada ilmu material dan aplikasi reaksi kimia.