Исследование сверхмалых и сверхбыстрых устройств с помощью достижений аттосекундной науки

Прочитано: 50 раз(а)


Группа ученых из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США разрабатывает новые методы исследования мельчайших деталей Вселенной с необычайной скоростью.

В предыдущем исследовании исследователи разработали способ создания рентгеновских лазерных всплесков длительностью в несколько сотен аттосекунд (или миллиардных долей миллиардной секунды). Этот метод, получивший название «генерация аттосекундных импульсов с усилением рентгеновского лазера» (XLEAP), позволяет ученым исследовать, как электроны, летающие вокруг молекул, запускают ключевые процессы в биологии, химии, материаловедении и многом другом.

Теперь под руководством ученых SLAC Агостино Маринелли и Джеймса Крайана команда разработала новые инструменты для использования этих аттосекундных импульсов революционными способами: первое использование аттосекундных импульсов в экспериментах с насосом-зондом и производство самых мощных аттосекундных рентгеновских импульсов. когда-либо сообщалось. Эксперименты, проведенные на рентгеновском лазере на свободных электронах Linac Liac Source (LCLS) и опубликованные в двух статьях в журнале Nature Photonics, могут произвести революцию в самых разных областях — от химии до материаловедения, предоставив понимание быстрейших движений внутри атомов и молекул.

Новый метод измерения сверхбыстрых явлений

В первой разработке исследователи представили новый подход к проведению экспериментов «насос-зонд» с аттосекундными рентгеновскими импульсами. Эти эксперименты, направленные на измерение сверхбыстрых событий длительностью менее триллионной доли секунды, включают возбуждение атомов импульсом «накачки» с последующим зондированием их вторым импульсом для наблюдения результирующих изменений.

Этот метод позволил ученым отслеживать и измерять движение электронов внутри атомов и молекул — критический процесс, влияющий на химические реакции , свойства материалов и биологические функции. Они добились этого, генерируя пары лазерных импульсов двух цветов и тщательно контролируя задержку между ними до 270 аттосекунд.

«Эта возможность открывает новые возможности для изучения взаимодействия света с материей на самом фундаментальном уровне», — сказал Крайан. «Это захватывающе, потому что оно превратилось в практический инструмент, позволяющий нам видеть динамику электронов, которая когда-то была вне нашей досягаемости. Теперь мы наблюдаем процессы, которые происходят во временных масштабах, приближающихся к времени, которое требуется свету, чтобы пересечь молекулу».

В недавней статье исследователи использовали этот метод для наблюдения за движением электронов в жидкой воде в режиме реального времени . Будущие исследования будут применять этот метод к различным молекулярным системам, повышая точность этих измерений и расширяя их применение в научных дисциплинах.

Создание мощных аттосекундных импульсов

Вторая разработка была сосредоточена на генерации мощных аттосекундных импульсов с использованием метода, известного как «суперизлучение», достигая уровня мощности почти в один тераватт. Этот процесс включал каскадный эффект в рентгеновском лазере на свободных электронах, что значительно усиливало мощность импульсов.

Повышенная интенсивность этих импульсов позволяет ученым исследовать уникальные состояния материи и наблюдать явления, происходящие в еще более коротких временных масштабах.

«Это самые мощные аттосекундные рентгеновские импульсы, когда-либо зарегистрированные. Интенсивность этих импульсов позволяет нам исследовать совершенно новые режимы рентгеновской науки», — сказал Маринелли. «Мы раздвинули границы энергии рентгеновского импульса, достигнув уровней мощности, которые открывают новые экспериментальные области. Этот результат был достигнут благодаря особому типу волны, которая сохраняет свою форму и скорость при распространении через электронный сгусток, что значительно увеличивая интенсивность и энергию наших импульсов».

Исследователи планируют и дальше совершенствовать эту технологию, чтобы повысить стабильность и контроль этих мощных импульсов, стремясь расширить их применение в различных научных областях.

Продвижение научных исследований вперед

Эти разработки раздвигают границы наших возможностей наблюдения и измерений, создавая основу для будущих научных прорывов, которые могут изменить наше понимание мира природы.

Наблюдение атомов и электронов в движении облегчает разработку новых материалов с индивидуальными свойствами для технологий, энергетики и других областей. Понимание движения электронов во время химических реакций также может способствовать созданию принципов интеллектуального химического проектирования.

«Эти исследования не только углубляют наше понимание физики, но и открывают путь для будущих инноваций, которые могут изменить наше понимание процессов, управляемых электронами», — сказал Крайан. «Каждый генерируемый нами аттосекундный импульс предлагает новый взгляд на строительные блоки природы, раскрывая динамику, ранее скрытую от глаз. Мы ожидаем, что впереди нас ждет еще много захватывающих открытий».

Исследование сверхмалых и сверхбыстрых устройств с помощью достижений аттосекундной науки



Новости партнеров