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».