На установці European XFEL дослідники отримали надкороткі рентгенівські спалахи тривалістю близько 300 аттосекунд і сфокусували їх у надзвичайно малу область, досягнувши рекордної інтенсивності для такого типу імпульсів. Про результати повідомляє видання SciTechDaily.
Щоб простежити, як поводяться електрони всередині атомів і молекул під час хімічних реакцій, потрібні інструменти, здатні «бачити» події на надзвичайно малих часових масштабах. Рентгенівські промені дають змогу зондувати електронну структуру, але самі імпульси можуть змінювати зразок. Тому важливо отримати достатньо світла за дуже короткий час, поки ці зміни ще не стали суттєвими.
Фокусування надкоротких рентгенівських імпульсів
Команда European XFEL змогла сфокусувати рентгенівські спалахи на ділянку, що приблизно у 100 000 разів менша за поперечний переріз людської волосини. Оціночна тривалість імпульсів становила 300 аттосекунд (аттосекунда — це мільярдна частка мільярдної частки секунди).
Експеримент проводили з використанням жорсткого рентгенівського випромінювання, тобто світла з дуже малою довжиною хвилі. Робота відбулася у квітні 2026 року на інструменті MID (Materials Imaging and Dynamics) комплексу European XFEL, а результати опубліковані в журналі Optica.
За словами науковця DESY Цзявея Яна (Jiawei Yan), кілька років тому на European XFEL уже продемонстрували аттосекундні імпульси жорсткого рентгену потужністю тераватного рівня. Однак створити потужний імпульс — лише перший крок: для експериментів вирішальним є те, скільки енергії реально потрапляє на зразок. Нова робота відкриває можливість досліджувати сильно нелінійні взаємодії між рентгенівським випромінюванням і речовиною.
Щоб сконцентрувати енергію, дослідники використали вдосконалену оптичну систему Kirkpatrick–Baez (AKB), привезену з Японії. Кожен імпульс зазнавав чотирьох відбиттів: один надточний дзеркальний елемент фокусував промінь по вертикалі, інший — по горизонталі. У підсумку рентгенівське випромінювання зібрали у пляму розміром лише 180 × 330 нанометрів (нанометр — мільярдна частка метра).
Використовуючи енергію імпульсу, його оцінену тривалість і розмір фокусної плями, команда розрахувала пікову інтенсивність понад 10²⁰ ват на квадратний сантиметр. Перший автор роботи Ічіро Іноуе (Ichiro Inoue) з Токійського університету називає це світовим рекордом за інтенсивністю та флюенсом для аттосекундних імпульсів жорсткого рентгену. Флюенс описує, скільки енергії потрапляє на певну площу, а інтенсивність додатково враховує, за який час ця енергія надходить.
Мідь як підсилювач рентгенівського сигналу
Щоб перевірити розрахунки, дослідники спрямували імпульси на тонку фольгу з міді. Рентгенівські фотони вибивали електрони з глибоких внутрішніх оболонок атомів міді, залишаючи «дірки», які могли заповнювати інші електрони. Переходячи на нижчі енергетичні рівні, ці електрони випромінювали рентгенівське світло.
За достатньо високої інтенсивності це випромінювання може стимулювати інші збуджені атоми міді випускати додаткові рентгенівські фотони в тому самому напрямку. Так сигнал підсилюється через процес, відомий як підсилена спонтанна емісія (ASE, amplified spontaneous emission).
Керівник групи на інструменті MID Андерс Мадсен (Anders Madsen) описує, що зазвичай флуоресценція розходиться в усі боки, незалежно від напрямку падаючого променя. Але коли інтенсивність перевищує поріг ASE, світловий конус починає «стискатися» у напрямку поширення первинного імпульсу.
Сигнал ASE спочатку швидко зростав із підвищенням енергії імпульсу, а потім виходив на плато за ще вищих енергій. Така насиченість очікується лише за екстремальних рентгенівських інтенсивностей і стала незалежним підтвердженням розрахованих параметрів імпульсів.
Нові можливості для користувачів European XFEL
Уже на початку 2027 року European XFEL планує отримати власну систему AKB. Після встановлення та налагодження вона має стати доступною для міжнародної спільноти користувачів інструмента MID, які зможуть проводити експерименти з подібно короткими й інтенсивними рентгенівськими спалахами.
Робота описана в публікації «Generation of high-fluence and high-intensity hard X-ray attosecond pulses at the European XFEL» в журналі Optica. Нову систему профінансовано в межах співпраці з Гамбурзьким університетом за підтримки Федерального міністерства досліджень, технологій і космосу (BMFTR).