Impulsy, trwające zaledwie od 60 do 100 attosekund (jedna attosekunda to jedna trylionowa część sekundy), umożliwiają obserwację ruchu elektronów w czasie rzeczywistym. To niezwykle istotne, ponieważ wiele kluczowych zjawisk fizykochemicznych — takich jak tworzenie i zrywanie wiązań chemicznych — zaczyna się właśnie w skali attosekundowej.
Dotychczas najkrótszy zarejestrowany impuls rentgenowski (43 attosekundy) pochodził z 2017 roku i dotyczył tzw. miękkiego promieniowania rentgenowskiego, o niższej energii i większej długości fali. Teraz jednak przeszliśmy na wyższy poziom zaawansowania. Zespół z University of Wisconsin–Madison dokonał przełomu w znacznie trudniejszym reżimie: generując impulsy twardego promieniowania rentgenowskiego, które cechują się wyższą energią i znacznie krótszymi długościami fal (rzędu angstrema). Dzięki temu po raz pierwszy możliwe staje się obrazowanie struktur na poziomie pojedynczych atomów z niespotykaną dotąd precyzją czasową.
Czytaj także: Coś w Drodze Mlecznej emituje promieniowanie rentgenowskie. Naukowcy próbują znaleźć jego źródło
Badania opierają się na wykorzystaniu lasera rentgenowskiego na swobodnych elektronach (XFEL), skierowanego w stronę próbki miedzi i manganu. Choć technologia XFEL znana jest od kilkunastu lat, impulsy generowane w standardowy sposób są niestabilne i mają szeroki zakres długości fal, co ogranicza ich zastosowanie.
Zespół z UW–Madison przełamał te ograniczenia, wykorzystując zjawisko stymulowanej emisji wewnątrzpowłokowych elektronów — analogiczne do działania klasycznego lasera optycznego, ale działające na znacznie krótszych długościach fal i przy wyższych energiach.
Gdy silny impuls rentgenowski pobudza silnie związane elektrony wewnętrznych powłok, elektrony te po powrocie do stanu podstawowego emitują spójne fotony. W efekcie powstaje kaskada emisji i spójna wiązka promieniowania rentgenowskiego.
W trakcie eksperymentów naukowcy wykorzystywali także zaawansowane trójwymiarowe symulacje komputerowe. Gdy zauważono powstawanie niespodziewanych „gorących punktów” na detektorach, badacze wiedzieli, że impulsy przechodzące przez materiał tworzą wąskie struktury przypominające włókna.
Czytaj także: Największa w historii mapa nieba w promieniach X. Takiego kosmosu jeszcze nie widzieliśmy
Kolejne zaskakujące zjawisko pojawiło się przy zwiększaniu intensywności impulsu — widmo zaczęło się poszerzać, pojawiły się też dodatkowe linie widmowe. Symulacje wykazały, że przyczyną jest tzw. cykl Rabiego, znane z mechaniki kwantowej zjawisko szybkiego przełączania się elektronów między stanami energetycznymi pod wpływem silnych pól elektromagnetycznych. To właśnie ten efekt umożliwił generację tak ekstremalnie krótkich impulsów.
Autorzy najnowszego opracowania wskazują, że osiągnięcie takiego poziomu precyzji w praktyce otwiera drzwi do zupełnie nowych technologii wykorzystujących twarde promieniowanie rentgenowskie. To z kolei oznacza, że właśnie zyskaliśmy metodą obrazowania niezwykle ulotnych procesów chemicznych, obserwowania zachowania materii w ekstremalnych warunków, a być może także produkcji zupełnie nowych materiałów.