Επιστήμονες πέτυχαν τους πιο σύντομους παλμούς σκληρών ακτίνων Χ στην ιστορία

Τα λέιζερ, που κάποτε ανήκαν μόνο στην επιστημονική φαντασία, έχουν πλέον εισχωρήσει στην καθημερινότητα και τη σύγχρονη έρευνα. Από εφαρμογές στην ιατρική μέχρι τη θεμελιώδη φυσική, η τεχνολογία λέιζερ έχει επεκταθεί σε ολόκληρο το φάσμα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων – ακόμη και στις σκληρές ακτίνες Χ.

Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature, διεθνής συνεργασία με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν–Μάντισον πέτυχε τη συντομότερη παραγωγή παλμών σκληρών ακτίνων Χ μέχρι σήμερα, παρατηρώντας για πρώτη φορά ισχυρά φαινόμενα λέιζερ σε αυτό το φάσμα.

Οι παραγόμενοι παλμοί υπόσχονται νέες δυνατότητες, από κβαντική οπτική ακτίνων Χ μέχρι την απεικόνιση της κίνησης ηλεκτρονίων μέσα στα μόρια.

«Παρατηρήσαμε ισχυρά φαινόμενα λέιζερ από ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων και καταφέραμε να τα προσομοιώσουμε και να τα υπολογίσουμε θεωρητικά», εξηγεί ο καθηγητής φυσικής Ούβε Μπέργκμαν, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Λέιζερ – Ακτίνες Χ: Παλμοί μικρότεροι των 100 αττοδευτερολέπτων

Η διάρκεια αυτών των παλμών είναι απίστευτα μικρή – κάτω από 100 αττοδευτερόλεπτα (1 αττοδευτερόλεπτο = 10⁻¹⁸ δευτερόλεπτα), δηλαδή 1.000 φορές μικρότερη από το χρονικό εύρος στο οποίο σχηματίζονται ή σπάνε οι χημικοί δεσμοί.

Η διαδικασία λέιζερ στις εσωτερικές στοιβάδες των ατόμων είναι παρόμοια με αυτή των οπτικών λέιζερ, αλλά συμβαίνει σε πολύ μικρότερα μήκη κύματος. Ένα αρχικό παλμόνι ακτίνων Χ διεγείρει τα εσωτερικά ηλεκτρόνια, τα οποία στη συνέχεια εκπέμπουν φωτόνια καθώς επιστρέφουν στη θεμελιώδη τους κατάσταση. Αυτά τα φωτόνια μπορούν με τη σειρά τους να προκαλέσουν καταρράκτες εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας (stimulated emission), σχηματίζοντας έτσι την ακτινοβολία λέιζερ.

Λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων (XFEL) και η «βρώμικη» φύση τους

Για να διεγερθούν επαρκώς τα εσωτερικά ηλεκτρόνια, απαιτούνται πολύ ισχυροί παλμοί από λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων (XFEL). Ωστόσο, αυτοί οι παλμοί είναι συνήθως «βρώμικοι» – περιέχουν πολλαπλές χρονικές αιχμές και φασματική ποικιλία, κάτι που περιορίζει τις δυνατότητες εφαρμογής τους.

Παρά αυτό το μειονέκτημα, οι ερευνητές κατάφεραν να εστιάσουν έναν τέτοιο παλμό πάνω σε δείγματα από χαλκό ή μαγγάνιο, με ένταση αντίστοιχη με το να συγκεντρωνόταν όλο το ηλιακό φως που χτυπά τη Γη σε ένα τετραγωνικό χιλιοστό.

Από τη φασματική διασπορά στα φαινόμενα Rabi και την εξαναγκασμένη εκπομπή

Χρησιμοποιώντας διασπορά μέσω πρίσματος ακτίνων Χ και καταγραφέα, οι επιστήμονες επιβεβαίωσαν την ύπαρξη εξαναγκασμένης εκπομπής. Παρατήρησαν, επίσης, «hotspots» και φασματική διεύρυνση – φαινόμενα που δεν εξηγούνταν απλά.

Με προσομοιώσεις τρισδιάστατης διάδοσης ακτινοβολίας μέσα στο υλικό, επιβεβαιώθηκε ότι επρόκειτο για φαινόμενα «filamentation» (δημιουργία νηματικών δομών) και κύκλους Rabi, κατά τους οποίους το υλικό απορροφά και επανεκπέμπει φωτόνια κυκλικά.

Οι προσομοιώσεις έδειξαν πως, αν και ο αρχικός παλμός ήταν βρώμικος, τα παλμοειδή φαινόμενα που προκαλούνται στο υλικό καταλήγουν σε εκπομπές ακτίνων Χ διάρκειας 60-100 αττοδευτερολέπτων – τους συντομότερους σκληρούς παλμούς ακτίνων Χ που έχουν παραχθεί ποτέ.

Νέοι ορίζοντες στην ατομική και μοριακή φυσική

«Αυτοί οι παλμοί μάς φέρνουν στην κλίμακα χρόνου όπου κινούνται τα ηλεκτρόνια στα τροχιακά τους», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας Τόμας Λίνκερ. «Η χημεία συμβαίνει σε φεμτοδευτερόλεπτα, αλλά η ηλεκτρονιακή δυναμική απαιτεί αττοδευτερόλεπτα».

Η παρούσα μελέτη δεν είναι η πρώτη που επιχειρεί να καθαρίσει τους παλμούς σκληρών ακτίνων Χ, αλλά είναι η πρώτη που καταγράφει παλμούς τέτοιας διάρκειας σε συνδυασμό με ισχυρά λέιζερικά φαινόμενα.

«Είναι ένα βήμα προς τη μεταφορά της πραγματικής επιστήμης λέιζερ στη σφαίρα των σκληρών ακτίνων Χ», τονίζει ο Μπέργκμαν. Οι σκληρές ακτίνες Χ διαθέτουν μήκη κύματος σε Άνγκστρομ, προσφέροντας χωρική ανάλυση σε ατομικό επίπεδο και ευαισθησία σε χημικά στοιχεία – ιδιότητες ανεκτίμητες για το μέλλον της επιστήμης και της τεχνολογίας.