SLAC ทีมวิจัยสร้างพัลส์ X-ray พลังงานสูงที่สั้นที่สุดในประวัติศาสตร์ ใช้เวลาไม่ถึง 400 เฟมโตวินาที

นักวิจัยจาก SLAC Linac Coherent Light Source (LCLS) ได้สร้างและวัดพัลส์ X-ray พลังงานสูง (“แข็ง”) ที่สั้นที่สุดซึ่งบันทึกได้ใน X-ray Free Electron Laser (XFEL) การวิจัยนี้ยืนยันว่าที่พลังงานฟอตอนสูง (ประมาณ 9 keV) ระยะเวลาของพัลส์อยู่ระหว่าง 100 ถึง 400 อัตโนมัติ (as) พัลส์ X-ray “แข็ง” เหล่านี้เปลี่ยนแปลงวิธีการที่เราสังเกตและควบคุมสสารควอนตัม นักวิทยาศาสตร์กำลังใช้พัลส์ที่สั้นมากเหล่านี้ในการจับการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนในภายในอะตอมและพลาสมาที่หนาแน่นในเวลาจริง

พัลส์ที่สั้นมากเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตโครงสร้างที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งเกินกว่าความเสียหายจากรังสีที่เกิดจาก X-ray เอง “นี่เป็นก้าวสำคัญสำหรับนักวิจัยที่หวังจะใช้ X-ray แข็งอัตโนมัติที่ LCLS” ศาสตราจารย์ Ichiro Inoue จากมหาวิทยาลัยโตเกียวกล่าว

การผลิตและการวัดพัลส์อัตโนมัติ

การผลิตพัลส์อัตโนมัติเป็นเรื่องที่ยากมาก และการวัดพัลส์หนึ่งพัลส์ก็ยากยิ่งกว่า “ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา เราได้เรียนรู้วิธีการสร้างพัลส์อัตโนมัติพลังงานสูงเหล่านี้ แต่การวัดพัลส์ที่สั้นมากจริงๆ นั้นยากมาก นี่เป็นครั้งแรกที่มีเครื่องมือวินิจฉัยที่พิสูจน์ว่าพัลส์มีความยาวเพียงไม่กี่ร้อยอัตโนมัติ” ศาสตราจารย์ Agostino Marinelli จาก SLAC ผู้เขียนการวิจัยกล่าว โซลูชันมาจากผู้เขียนหลัก Inoue ซึ่งเสนอเทคนิคการวัดทางอ้อมที่ใช้การขยายการปล่อยแบบสุ่ม (ASE) ASE เป็นการแบ่งพัลส์ X-ray เพื่อวัดสเปกตรัมพลังงานโดยตรง ในขณะที่แสงที่เหลือจะถูกโฟกัสไปที่ฟอยล์ทองแดงเพื่อสร้างฟลูออเรสเซนซ์ในแนวหน้า

นักวิจัยทดสอบ SLAC Linac Coherent Light Source โดยการยิงลำแสงพลังงานสูงและแบ่งออกเป็นสองเส้นทาง หนึ่งส่วนไปถึงตัวตรวจจับที่บันทึกสเปกตรัมพลังงานโดยตรง ขณะที่แสงที่เหลือจะถูกมุ่งไปยังจุดขนาด 150 นาโนเมตรบนฟอยล์ทองแดงเพื่อสร้างรังสีฟลูออเรสเซนซ์ การรวมการวัดจากตัวตรวจจับทั้งสองทำให้ทีมสามารถคำนวณระยะเวลาที่แน่นอนและทันทีของพัลส์ เทคนิคนี้ขยายวิทยาศาสตร์อัตโนมัติไปยังช่วงพลังงานฟอตอนประมาณ 9 keV ซึ่งเป็นการก้าวกระโดดที่สำคัญจากการทดลอง X-ray อ่อนที่ดำเนินการในระดับต่ำกว่า 5 keV

ทำไม X-ray แข็งที่สั้นมากเหล่านี้จึงมีความสำคัญ? ความลึกและความเร็ว X-ray อ่อนพลังงานต่ำเหมาะสำหรับการสังเกตพันธะเคมีในเปลือกนอกของอะตอม X-ray แข็งพลังงานสูง (มากกว่า 5 keV) สามารถเจาะลึกเข้าไปในวัสดุที่หนาแน่น ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุที่ตั้งของอิเล็กตรอนได้ด้วยความแม่นยำระดับอะตอม “พลาสมาฟิสิกส์นั้นยุ่งเหยิงมาก โดยปกติเราจะกระตุ้นตัวอย่างแล้วระบบจะผ่อนคลายและจัดระเบียบใหม่ก่อนที่เราจะสามารถดึงการวัดออกมาได้ เรามักถูกบังคับให้พึ่งพาการสร้างแบบจำลองและทำสมมติฐานเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริง” นักฟิสิกส์ Sam Vinko จากมหาวิทยาลัยออกซฟอร์ดกล่าว

การประยุกต์ใช้ X-ray แข็งอัตโนมัติ

นักวิทยาศาสตร์สามารถมุ่งเน้นไปที่ระบบที่มีความรุนแรง เช่น ระบบในทดลองพลังงานฟิวชันแบบเฉื่อย และจับภาพสถานะกระตุ้นของแกนที่เย็นก่อนที่จะเกิดความคลุมเครือหรือการเปลี่ยนแปลง X-ray มักจะทำลายตัวอย่างที่ละเอียดที่พวกเขาสแกน แต่ X-ray แข็งอัตโนมัติช่วยป้องกันความเสียหายนี้ เนื่องจากพวกมันมีความเร็วสูงมาก ด้วยเหตุว่าพัลส์จะสิ้นสุดก่อนที่จะเกิดความเสียหายหรือการเสื่อมสภาพ นักวิจัยจึงสามารถจับภาพสถานะที่ไม่เสียหายของระบบได้ Tais Gorkhover จากมหาวิทยาลัยฮัมบูร์กเชื่อว่าความสามารถนี้จะไม่เพียงแต่ปรับปรุงการถ่ายภาพในระดับนาโน แต่ยังอาจช่วยควบคุมหรือแม้กระทั่งย้อนกลับปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและวัสดุได้อย่างเต็มที่

ความสำเร็จล่าสุดของ SLAC เปิดยุคใหม่ให้กับพลศาสตร์ควอนตัม โดยมอบกล้องที่เร็วกว่าอัตราการเสื่อมสภาพของอะตอมให้กับนักวิจัย

ผลกระทบของ X-ray แข็งอัตโนมัติต่อการวิจัยควอนตัม

การพัฒนา X-ray แข็งอัตโนมัติเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในงานวิจัยพลศาสตร์ควอนตัม เนื่องจากสามารถจับภาพปรากฏการณ์ชั่วขณะโดยไม่ทำลายตัวอย่าง ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตและควบคุมระบบควอนตัมได้อย่างแม่นยำมากขึ้น โดยเฉพาะเมื่อเกี่ยวข้องกับพลังงานสูงและวัสดุหนาแน่น ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี การวิจัยในอนาคตจะสามารถสำรวจพฤติกรรมทางพลศาสตร์ในระดับอะตอมและโมเลกุลได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ซึ่งมีความสำคัญต่อวิทยาศาสตร์วัสดุและการวิจัยพลังงาน