นักวิทยาศาสตร์สร้างสรรค์การรวมพัลส์ X-ray สั้นพิเศษที่มีความเข้มสูงเป็นประวัติการณ์

อิเล็กตรอนภายในอะตอมและโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก การศึกษาพฤติกรรมของมันต้องการการส่องสว่างที่มีระยะเวลาเพียงหนึ่งในพันล้านของหนึ่งในพันล้านวินาที ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีการที่จะรวมแสง X-ray สั้นพิเศษเหล่านี้ให้เป็นจุดเล็ก ๆ ทำให้เมื่อมันกระทบตัวอย่างจะมีพลังงานมากขึ้น ในการทดลองที่ European XFEL นักวิจัยได้บรรลุความเข้มและฟลักซ์ใหม่สำหรับพัลส์ X-ray แข็ง โดยมีความเข้มสูงสุดเกิน 10²⁰ วัตต์ต่อเซนติเมตร

อิชิระ อิอิโนะ หัวหน้าทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียวกล่าวว่า "นี่คือสถิติโลกในด้านความเข้มและฟลักซ์ของพัลส์ X-ray แข็ง" ความก้าวหน้านี้อาจช่วยนักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาว่าอิเล็กตรอนตอบสนองต่อแสงที่เข้มข้นอย่างไร และในที่สุดจะสำรวจวิธีการควบคุมมันในกระบวนการปฏิกิริยาเคมี

การใช้ระบบออปติกขั้นสูงในการมุ่งเน้น X-ray

การทดลองจัดขึ้นในเดือนเมษายน 2026 โดยใช้พัลส์ X-ray ที่มีระยะเวลาประมาณ 300 อะตอวินาที อะตอวินาทีคือหนึ่งในพันล้านของหนึ่งในพันล้านวินาที ซึ่งทำให้พัลส์เหล่านี้สามารถใช้ในการศึกษากระบวนการที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนที่เร็วที่สุด นักวิจัยได้ทำการนำพัลส์ผ่านระบบออปติก Kirkpatrick–Baez (AKB) ขั้นสูง ซึ่งประกอบด้วยกระจกที่แม่นยำสองชิ้น พัลส์แต่ละอันสะท้อนบนกระจกสี่ครั้ง หนึ่งกระจกจะมุ่งเน้น X-ray ในแนวตั้ง ขณะที่อีกกระจกจะมุ่งเน้นในแนวนอน ทำให้ลำแสงมุ่งเน้นไปยังพื้นที่ขนาดเพียง 180 × 330 นาโนเมตร

กล่าวโดยสรุป นักวิจัยได้มุ่งเน้น X-ray ไปยังพื้นที่ที่มีขนาดประมาณ 100,000 เท่าของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์ ความสำเร็จนี้สร้างขึ้นจากการวิจัยก่อนหน้านี้ที่ European XFEL ซึ่งนักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงพัลส์ X-ray แข็งที่มีความเข้มระดับกิโลวัตต์ อย่างไรก็ตาม การสร้างพัลส์ที่มีพลังงานสูงเป็นเพียงส่วนหนึ่งของปัญหา พลังงานต้องไปถึงตัวอย่างในรูปแบบที่มีความเข้มข้นเพียงพอเพื่อสร้างผลที่ต้องการ ซึ่งเป็นความท้าทายที่เทคโนโลยี X-ray เลเซอร์อื่น ๆ ที่ใช้ในการศึกษาในระดับขนาดเล็กต้องเผชิญ

หนึ่งในนักวิจัย ยาน เจียเหว่ย กล่าวไว้ว่า "เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา เราได้แสดงพัลส์ X-ray แข็งระดับกิโลวัตต์ที่ European XFEL แต่การสร้างพัลส์ที่มีพลังงานสูงเป็นเพียงก้าวแรก สำหรับการทดลอง สิ่งที่สำคัญจริง ๆ คือผลลัพธ์ที่เราสามารถส่งมอบให้กับตัวอย่างได้ ด้วยความก้าวหน้านี้ เราสามารถใช้ X-ray อะตอวินาทีในการสำรวจปฏิสัมพันธ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นระหว่าง X-ray และวัสดุได้แล้ว"

เพื่อทำการตรวจสอบความเข้มอย่างอิสระ ทีมวิจัยได้ชี้พัลส์ X-ray ไปยังแผ่นฟอยล์ทองแดงและตรวจสอบการปล่อยแสงจากอะตอมของมัน แสง X-ray ที่เข้ามาจะทำให้อิเล็กตรอนถูกยิงออกจากเปลือกชั้นในของอะตอมทองแดง ทิ้งช่องว่างหรือรูไว้ อิเล็กตรอนจากเปลือกนอกจะเข้าสู่ช่องว่างเหล่านี้และปล่อยพลังงานในรูปแบบของแสง X-ray เมื่อมีการส่องสว่างที่มีความเข้มเพียงพอ การปล่อยนี้จะกระตุ้นอะตอมทองแดงที่ถูกกระตุ้นอื่น ๆ ให้ปล่อยแสง X-ray ที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ผลกระทบการขยายที่เกิดขึ้นจะสร้างสัญญาณที่เข้มข้นและเข้มข้นมากขึ้น กระบวนการนี้เรียกว่า การปล่อยที่กระตุ้นด้วยการขยาย (ASE) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการปล่อยที่เป็นไปได้ของ X-ray เลเซอร์

ผู้รับผิดชอบโครงการทดลอง อันเดอร์ส มาดเซน กล่าวไว้ว่า "การเห็นกระบวนการนี้แทบจะเป็นเรื่องมหัศจรรย์ แสงฟลูออเรสเซนซ์ปกติจะกระจายไปในทุกทิศทาง โดยไม่คำนึงถึงทิศทางของลำแสงที่เข้ามา แต่เมื่อเกณฑ์ ASE ถูกทำลาย คุณจะเห็นลำแสงเริ่มมุ่งเน้นไปข้างหน้า"

ในตอนแรก เมื่อทีมวิจัยเพิ่มพลังงานของพัลส์ สัญญาณ ASE จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม เมื่อพลังงานสูงขึ้น สัญญาณเริ่มคงที่ ซึ่งพฤติกรรมนี้เรียกว่าการอิ่มตัว การตอบสนองนี้สอดคล้องกับความเข้มที่สูงมากซึ่งคำนวณจากพลังงานของพัลส์ ระยะเวลา และขนาดของจุดโฟกัส ซึ่งให้การตรวจสอบอย่างอิสระ

การประยุกต์ใช้พัลส์ X-ray ที่มีความเข้มสูง

ความสำเร็จนี้อาจช่วยให้นักวิจัยศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุล รวมถึงวิธีที่วัสดุตอบสนองต่อการส่องสว่างด้วย X-ray ที่มีความเข้มสูง ในระยะยาว การศึกษานี้อาจช่วยในการควบคุมอิเล็กตรอนในกระบวนการปฏิกิริยาเคมี นักวิจัยกำลังสำรวจวิธีการจับภาพการเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็วเหล่านี้ รวมถึงการสร้างภาพอิเล็กตรอนและอะตอมในกระบวนการปฏิกิริยาเคมี อย่างไรก็ตาม การทดลองนี้แสดงให้เห็นถึงการสร้างและการตรวจสอบพัลส์ X-ray ที่มีความเข้มสูง แทนที่จะเป็นการควบคุมอิเล็กตรอนโดยตรงในกระบวนการปฏิกิริยา ขณะนี้นักวิจัยใช้ระบบกระจก AKB ที่นำมาจากญี่ปุ่น

European XFEL คาดว่าจะได้รับระบบของตนเองในต้นปี 2027 หลังจากการติดตั้งและทดสอบ ระบบนี้จะทำให้พัลส์ X-ray ที่สั้นและมีความเข้มสูงเหล่านี้สามารถใช้ได้กับนักวิจัยทั่วโลกที่ใช้เครื่องมือ MID ของสถานที่นี้

ผลกระทบของเทคโนโลยีนี้ต่อการศึกษาอิเล็กตรอน

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีนี้อยู่ที่ความสามารถในการรวมพัลส์ X-ray สั้นพิเศษ ซึ่งมีความสำคัญต่อการศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุล ด้วยความเข้มและฟลักซ์ที่เพิ่มขึ้น นักวิทยาศาสตร์จะสามารถสำรวจได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นว่าอิเล็กตรอนตอบสนองต่อแสงที่เข้มข้นอย่างไร และอาจจะสามารถควบคุมอิเล็กตรอนในกระบวนการปฏิกิริยาเคมีในอนาคตได้ นี่ไม่เพียงแต่จะผลักดันการพัฒนาวิทยาศาสตร์พื้นฐาน แต่ยังอาจมีผลกระทบที่ปฏิวัติวงการต่อวิทยาศาสตร์วัสดุและการประยุกต์ใช้ในปฏิกิริยาเคมี