Cercetătorii au obținut cea mai intensă pulsație de raze X dure attosecundă, un record mondial
O echipă de cercetători a folosit instalația European XFEL pentru a genera fulgere de raze X extrem de scurte, care au atins o intensitate record pentru acest tip de puls. Rezultatele experimentului, desfășurat în aprilie 2026, au fost publicate în revista Optica.
Pulsațiile au fost focalizate pe o suprafață de aproximativ 100.000 de ori mai mică decât secțiunea transversală a unui fir de păr uman, concentrând lumina într-un punct minuscul, dar extrem de puternic. Metoda ar putea permite studii detaliate ale comportamentului electronilor în atomi și molecule și, pe termen lung, ar putea chiar să le permită cercetătorilor să controleze electronii în timpul reacțiilor chimice.
„Acesta este un record mondial de intensitate și fluență pentru un puls de raze X dure attosecundă”, a declarat Ichiro Inoue de la Universitatea din Tokyo, primul autor al publicației. Razele X dure sunt unde luminoase cu o lungime de undă deosebit de scurtă. Fluența măsoară câtă energie livrează lumina pe o anumită suprafață, în timp ce intensitatea ia în calcul și cât de rapid ajunge această energie.
Pulsații de 300 de attosecunde, focalizate cu oglinzi de precizie
Pulsațiile folosite în experiment au durat aproximativ 300 de attosecunde, o attosecundă fiind a miliarda parte dintr-o miliardime de secundă. Ele au trecut printr-un sistem optic avansat Kirkpatrick–Baez (AKB), format din două oglinzi extrem de precise. Fiecare fulger de raze X s-a reflectat de patru ori în total: o oglindă a focalizat pulsul pe verticală, iar cealaltă pe orizontală. Rezultatul a fost un punct focal de doar 180 × 330 nanometri, un nanometru fiind a miliarda parte dintr-un metru.
„Acum câțiva ani, am demonstrat pulsații de raze X dure attosecundă la scară de terawați la European XFEL”, a spus Jiawei Yan, om de știință la DESY și unul dintre autorii corespondenți ai studiului. „Dar generarea de pulsații puternice este doar primul pas. Pentru experimente, ceea ce contează cu adevărat este ce putem livra probei. Cu acest progres, putem folosi acum razele X attosecundă pentru a explora interacțiuni puternic neliniare între razele X și materie.”
Emisia din cupru confirmă intensitatea record
Cercetătorii au verificat independent că au atins o intensitate de vârf de peste 10²⁰ wați pe centimetru pătrat, direcționând pulsațiile pe o folie de cupru. Razele X au eliminat electroni din straturile interne profunde ale atomilor de cupru, lăsând în urmă „goluri”. Când alți electroni au umplut aceste goluri, au emis lumină de raze X. La intensități foarte mari, această lumină poate stimula alți atomi de cupru excitați să emită mai multă lumină de raze X în aceeași direcție, amplificând semnalul. Acest proces se numește emisie spontană amplificată (ASE).
„Este aproape magic să vezi asta întâmplându-se”, a spus Anders Madsen, lider de grup la instrumentul MID, unde a fost realizat studiul. „Fluorescența normală merge în toate direcțiile, indiferent de direcția fasciculului incident. Dar când pragul ASE este depășit, vezi cum conul de lumină începe să se condenseze în direcția înainte.”
Cercetătorii au observat că semnalul ASE a crescut inițial rapid pe măsură ce energia pulsului creștea, dar apoi s-a nivelat, sau s-a saturat, la energii mai mari. Acest comportament este așteptat doar la intensități extrem de mari ale razelor X și a oferit o confirmare independentă a intensității estimate pe baza energiei pulsului, a duratei și a dimensiunii punctului focal.
Sistemul avansat de oglinzi Kirkpatrick–Baez folosit în experiment a fost adus din Japonia. European XFEL așteaptă livrarea propriului sistem AKB la începutul anului 2027. Odată instalat și pus în funcțiune, acesta ar urma să le ofere cercetătorilor din întreaga lume care folosesc instrumentul MID acces la fulgere de raze X suficient de scurte și de intense pentru a capta informații despre electroni înainte ca razele X să poată produce modificări substanțiale într-o probă.
