Hector Garcia Morales və Miriam Arrell tərəfindən, Paul Scherrer İnstitutu

redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

SwissFEL-də PSI tədqiqatçıları tam əlaqəli, ultraqısa rentgen impulslarının istehsal olunmasına imkan verən rejim kilidləməsi kimi tanınan bir texnika nümayiş etdirdilər. Fotoda bir neçə dalğalanma modulu görünür (mavi); hər cütün arasında elektronları gecikdirmək üçün istifadə edilən maqnit çikanları var. Mənbə: Paul Scherrer İnstitutu/Markus Fischer

Paul Scherrer İnstitutunun PSI-dəki alimlər ilk dəfə olaraq SwissFEL rentgen sərbəst elektron lazerində ultra qısa rentgen impulslarını sinxronlaşdıran bir texnikanı nümayiş etdiriblər. Bu nailiyyət ultra sürətli atom və molekulyar prosesləri attosaniyə dəqiqliyi ilə müşahidə etmək üçün yeni imkanlar açır.

Sürətli atom və molekulyar proseslərin hərəkətdə araşdırılması parlaq və qısa rentgen impulsları tələb edir – SwissFEL kimi sərbəst elektron lazerlərin üstün olduğu bir iş. Lakin, bu rentgen impulslarının içərisində işıq daxilən nizamsızdır: onun zaman quruluşu təsadüfi şəkildə paylanır və atışdan atışa dəyişir. Bu, müəyyən təcrübələrin dəqiqliyini məhdudlaşdırır.

Bu təbii təsadüfiliyi ram etmək üçün PSI tədqiqatçılarından ibarət bir qrup zamanla əlaqəli impulslar qatarları yaratmaq üçün rejim kilidləməsi kimi tanınan bir texnikanı tətbiq etməyə müvəffəq olub. “Artıq zaman və tezlik baxımından tam nizamlı impulslar əldə edə bilərik”, Physical Review Letters jurnalında dərc olunmuş tədqiqata rəhbərlik edən sürətləndirici fizik Eduard Prat deyir .

Jurnal tərəfindən Redaktorun Təklifi kimi seçilmiş bu tədqiqat, xüsusi attosaniyəli rentgen impulslarının yaradılması və yalnız dəqiq vaxtlanmış, sinxronlaşdırılmış işıq impulsları ilə mümkün olan bir sıra yeni təcrübələrin aparılması istiqamətində əhəmiyyətli bir addımdır.Elektron şüasından (alt qrafik) koherent rentgen impulsları seriyası (yuxarı və orta qrafiklər) istehsal olunur. Rentgen impulslarının aralığı elektronlara dövri bir nümunə iz qoyan xarici optik lazerlə müəyyən edilir. Mənbə: Paul Scherrer İnstitutu PSI/Wenxiang Hu

Attosaniyə miqyaslı dünyanı araşdırmaq

Attosaniyədə rejimdəki rentgen impulsları elektronların hərəkətinə – atom və molekullardakı ən sürətli proseslərə – pəncərə açır və bütün kimyəvi və fiziki dəyişikliklərin əsasını təşkil edir. 2023-cü il Fizika üzrə Nobel Mükafatı, rentgen şüalarından deyil, optik işığın istifadə edildiyi üsullarla attosaniyədə sahəsinin inkişafını tanıdı. Rentgen şüası ilə attosaniyədə zaman şkalasını araşdırmaq optik lazerlər üçün lazım olan eyni səviyyədə nəzarət və dəqiqlik tələb edir – lakin əsas elektronları və spesifik atom elementlərini araşdıra bilən daha yüksək foton enerjiləri təklif edir.

Tamamilə əlaqəli rentgen impulsları məhz bunu təmsil edərdi: optik lazerdən gələn kimi davranan idarə olunan və təkrarlana bilən işıq impulsları.

Bu nəzarət dərəcəsinin sərbəst elektron lazer rentgen işığının imkanları ilə – məsələn, müstəsna parlaqlıqla – birləşdirilməsinin nəticələri əhəmiyyətli olardı. Bu inkişafla təkcə attosaniyəli rentgen elmi deyil, həm də indiyə qədər optik lazerlər sahəsi ilə məhdudlaşan digər üsullar da mümkün olardı:

PSI-də Foton Elmləri Mərkəzinin rəhbəri Qabriel Aeppli deyir: “Xüsusi dizayn edilmiş impulslar ilə lazer əsaslı kvant optikasından ilhamlanan yeni təcrübələr mümkün olur. Bundan əlavə, indi attosaniyəli impulsların nümunəyə çatdığı çox dəqiq bir saat perspektivimiz var, bu da o deməkdir ki, qazlarda, mayelərdə və bərk maddələrdə rentgen şüaları ilə görülən hadisələri misli görünməmiş dəqiqliklə vaxtlaya bilməliyik.”

Mükəmməl şəkildə təşkil olunmuş eksperimental quruluş

SwissFEL-də rentgen impulslarının generasiyası Öz-özünə Gücləndirilmiş Spontan Emissiya (SASE) adlanan texnikaya əsaslanır. SwissFEL-də sürətləndirilən elektron şüası, elektronların yan-yana hərəkət etməsinə və rentgen şüaları yaymasına səbəb olan maqnitlər olan bir sıra dalğacıqlardan keçir. Yayılan fotonlar elektronlarla qarşılıqlı təsir göstərir və bu da onların enerji qazanmasına və ya itirməsinə səbəb olur.

Bu vəziyyətdə sürətli elektronlar daha yavaş olanlara çata bilər və bu da onların bir-birinə yapışmasına səbəb olur. Bu mikrodəstə yayılan rentgen şüasını gücləndirir və onun koherentliyini artırır. Lakin bu koherentlik yalnız şüa eni boyunca fəzada baş verir, uzununa koherentlik isə, yəni impuls boyunca koherentlik, elektron şüasının müddətinin kiçik bir hissəsi ilə məhdudlaşır, beləliklə, zaman və spektral profillər hələ də çoxsaylı təsadüfi paylanmış sünbüllərdən ibarətdir.

Zaman koherentliyi sadəcə elektron dəstəsini qısaltmaqla yaxşılaşdırmaq olar, lakin bu, daha geniş və daha az müəyyən edilmiş spektrin bahasına başa gəlir. SwissFEL-in yumşaq rentgen ATHOS şüa xəttində PSI tədqiqatçıları alternativ bir metod nümayiş etdirdilər: rejim kilidləmə kimi tanınan bir texnika.

Bu yanaşmada elektronlar, yüklü hissəciklərin hərəkətini gecikdirən və onların zaman koherentliyini artıran dalğacıqlar arasında bir-birinə yerləşdirilmiş bir sıra tənzimlənmiş maqnit chicanlardan keçir . Eyni zamanda, xarici lazer elektron şüasının laserasiya hissələrini chican gecikmələrinə uyğun bir dövrlə məhdudlaşdırır.

Həm chicanes, həm də uyğun lazer nəticəsində şüalanma bərabər şəkildə ayrılmış, faza ilə kilidlənmiş, ultraqısa impulslar seriyasından ibarətdir. Müvafiq foton spektrləri bərabər məsafəli spektral xətlərin xarakterik daraq quruluşunu nümayiş etdirir.

Yaranan impulslar təkmilləşdirilmiş koherentlik nümayiş etdirməklə yanaşı, attosaniyəli zaman diapazonunda idi: “Təcrübədə elektron şüasını modulyasiya etmək üçün 790 nanometrlik dalğa uzunluğunda lazerdən istifadə edildi və hər bir impuls bir femtosaniyənin altında davam edən 2,6 fps ilə ayrılmış bir sıra rentgen impulsları yaratdı”, – deyə Prat bildirir.

Bu, rentgen şüaları ilə sərbəst elektron lazerində rejim kilidlənməsinin ilk eksperimental nümayişidir və bu, bir eksperimental qurğuda dalğalanmaların, lazerlərin və çikanların dəqiq birləşməsi yolu ilə əldə edilir. Prat əlavə edir: “Bu sxem gözəldir. Hər şey öz yerində mükəmməl şəkildədir və asanlıqla idarə olunur.”

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Diaqnostika sübut təqdim edir

2024-cü ildə dərc edilmiş bir araşdırmada, PSI komandası spektral paylanmada koherentliyi yaxşılaşdıran, yəni rentgen tezliklərinin daha müntəzəm və sabit paylanmasına səbəb olan rejimlə əlaqəli sxem nümayiş etdirmişdir. Rejimlə əlaqəli və rejimlə bağlı sxemlər arasındakı əsas fərq ondadır ki, xarici lazer sayəsində sonuncu zaman domenini təmizləyir və koherentliyi daha da artırır.

Rejim kilidləmə sxeminin uğurla tətbiqi impulsların zamanla əlaqəli olduğunu sübut etməyi tələb edirdi. Bu məqsədlə impulsları xarakterizə etmək üçün qabaqcıl diaqnostik cihazlara ehtiyac var idi. Çikanların aşağısında yerləşən foton spektrometri rentgen impulsunun enerji paylanmasını təyin edir, radiotezlikli (RF) deflektor cihazı isə rentgen impulsunun zaman quruluşunu müəyyən etmək üçün elektron dəstəsində olan məlumatlardan istifadə edir.

Əsas çətinliklərdən biri impulsların femtosaniyəli dövri strukturunu ölçmək idi ki, bu da RF cihazı ilə attosaniyəli qətnaməyə nail olmaq üçün xüsusi bir quraşdırma tələb edirdi. Prat qeyd edir ki, “Bu tədqiqat, çikan və xarici lazerdən tutmuş diaqnostikanın dəqiqliyinə qədər harmoniyada işləməli olan bir çox aspektin diqqətlə orkestrasiyasını nümayiş etdirir”.

Növbəti addım, sırf diaqnostik qurğular əvəzinə, real eksperimental nümunələrlə zamanla əlaqəli rentgen şüaları yaratmaq üçün yeni imkanları sınaqdan keçirmək olacaq. Gələcək işlər daha çox chicanes istifadə etməklə və elektron impuls müddətini azaltmaqla rentgen impulslarının əlaqəliliyini daha da artıracaq. Uzunmüddətli perspektivdə yüksək əlaqəli və uyğunlaşdırılmış rentgen impulsları yaratmaq imkanı attosaniyə elmindən kvant optikasına qədər geniş tətbiq sahələrində istifadəçilərə fayda verəcək.

Daha çox məlumat: Wenxiang Hu və digərləri, Rentgen Sərbəst Elektron Lazeri üçün Rejimlə Bağlı Tezlikli Tarağın Nümayişi, Fiziki İcmal Məktubları (2025). DOI: 10.1103/wn8d-l7sh

Jurnal məlumatları: Fiziki icmal məktubları 

Paul Scherrer İnstitutu tərəfindən təmin edilir