БЕРКЛИ, Калифорния - Впервые в истории первичный луч синхротронного источника света произвел стробоскопические вспышки синхротронного света продолжительностью менее 300 фемтосекунд (300 миллионных миллиардных долей секунды). Спектральный диапазон этих субпикосекундных импульсов простирается от инфракрасных до рентгеновских длин волн, и ожидается, что тот же метод вскоре даст 100 фемтосекундных импульсов рентгеновских лучей.
Исследователи Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab), работающие над усовершенствованным источником света (ALS), извлекли фемтосекундные импульсы синхротронного света непосредственно из электронного луча в накопительном кольце синхротрона. При дальнейшей доработке их метод, по сути, предоставит ученым рентгеновскую камеру с остановкой действия, которая может фиксировать движение атомов во время физических, химических и биологических реакций в почти непостижимо коротком временном масштабе. Грубо говоря, фемтосекунда по отношению к одной секунде равна одной секунде по отношению к 30 миллионам лет.
Поскольку наш подход создает фемтосекундную временную структуру на электронном пучке, стандартные излучающие устройства, такие как поворотный магнит, вигглер или ондулятор, могут быть разработаны для излучения фемтосекундных рентгеновских импульсов с желаемыми свойствами, такими как такие как полоса пропускания, настраиваемость и яркость», - говорит Роберт Шенлейн, физик из отдела материаловедения лаборатории Беркли и старший автор статьи, в которой сообщается об этой работе в номере журнала Science от 24 марта..
Схема генерации фемтосекундных импульсов непосредственно от синхротрона была первоначально задумана Александром Жоленцем и Максом Золоторевым из Центра физики пучков (CBP) лаборатории Беркли, которые являются соавторами научной статьи. Другими соавторами являются директор лаборатории Беркли и пионер фемтосекундной спектроскопии Чарльз Шэнк, Свапон Чаттопадхай из CBP, Торнтон Гловер и Филип Хейманн из ALS, а также Х. Х. В. Чонг, аспирант Калифорнийского университета в Беркли..
Шенлейн, Золотерев и Гловер также были членами исследовательской группы лаборатории Беркли, которая в 1996 году произвела первые направленные пучки фемтосекундного рентгеновского излучения. Эта более ранняя работа также выполнялась в ALS, но на ответвлении луча от линейного ускорителя на 50 МэВ (миллион электрон-вольт), который подает электроны в бустерный синхротрон ALS. Последние фемтосекундные импульсы были произведены внутри накопительного кольца. Это огромное преимущество, поскольку оно позволяет исследователям извлечь выгоду из исключительно высокого потока и яркости кольцевого луча ALS..
ALS представляет собой электронный синхротрон, предназначенный для ускорения электронов до энергии 1,9 ГэВ (миллиарда электрон-вольт) и удержания их в течение нескольких часов в жестко ограниченном пучке внутри накопительного кольца с окружностью около 200 метров (660 футов). Когда электронный пучок проходит через это накопительное кольцо, лучи ультрафиолетового и низкоэнергетического или «мягкого» рентгеновского излучения могут откачиваться из него с помощью изгибных, вигглерных или ондуляторных магнитных устройств. Этот свет, который можно использовать в самых разных научных целях, примерно в сто миллионов раз ярче света самых мощных рентгеновских трубок.
Поскольку электронный пучок в накопительном кольце ALS формируется из дискретных пучков электронов, а не из непрерывного потока частиц, весь генерируемый им свет является импульсным с оптимальной частотой повторения около 500 миллионов импульсов в секунду. секунду, а каждый импульс длится всего от 30 до 40 пикосекунд (триллионных долей секунды). Хотя пикосекундная шкала времени достаточно быстра, чтобы зафиксировать действие очень многих процессов, она недостаточна для изучения таких сверхбыстрых событий, как образование и разрыв электронных связей во время химических реакций или движение атомов, связанное с фазовым переходом. из твердого в жидкое в газообразное). Многие жизненно важные биологические процессы, такие как зрение, также происходят в субпикосекундном масштабе времени.
«Рентгеновские лучи идеально подходят для исследования атомной структуры материи, потому что они напрямую взаимодействуют с ядрами и остовными электронами», - говорит Шенлейн. «Производство направленных пучков рентгеновских лучей в фемтосекундном масштабе времени высоко ценится научным сообществом, потому что при комнатной температуре движение атомов происходит в большинстве случаев в масштабе времени примерно 100 фемтосекунд».
Шенлейн и его коллеги получили свои фемтосекундные импульсы, послав вспышку света от фемтосекундного оптического лазера через устройство для ввода вигглера в то же время, когда через него проходили сгустки электронов, составляющие луч накопительного кольца. Вигглеры (и ондуляторы) представляют собой магнитные массивы с чередующимися северным и южным полюсами, которые вызывают вибрацию движения ускоряющихся электронов, заставляя их терять энергию в виде излучаемого света. При правильных условиях одновременное присутствие импульса лазерного излучения будет модулировать потери энергии некоторых из этих колеблющихся электронов.
В этом эксперименте модуляция энергии позволила пространственно отделить сверхкороткий срез электронов от остальных сгустков в кольцевом накопительном пучке ALS. Когда смещенный кусочек электрона затем пропускали через поворотный магнит, он генерировал собственный свет. Теоретически этот свет должен появиться примерно с той же фемтосекундной длиной импульса, что и создавший его лазерный свет. Однако времяпролетные эффекты из-за расстояния между вигглером, на котором произошло взаимодействие лазера и электрона, и поворотным магнитом привели к возникновению импульсов длительностью около 300 фемтосекунд.
Говорит Шенлейн: «Расположение нашего изгибающего магнита в этом эксперименте было далеко не оптимальным. Разместив изгибающий магнит сразу после вигглера, мы сможем получить рентгеновский импульс длительностью около 100 фемтосекунд.."
Schoenlein также говорит, что использование ондулятора вместо поворотного магнита для извлечения света из электронного среза значительно улучшит поток и яркость направленного фемтосекундного рентгеновского луча. В отличие от поворотного магнита, который производит широкие лучи света, как от маяка, ондуляторный свет больше похож на луч лазера, высоко когерентный и настраиваемый на определенную длину волны..
В настоящее время в ALS строится специальная линия пучка с изогнутым магнитом и экспериментальная станция для исследований фемтосекундной рентгеновской спектроскопии, которая должна быть введена в эксплуатацию к лету этого года. Разрабатываются планы для ондуляторной линии луча, обеспечивающей фемтосекундные рентгеновские импульсы еще более высокой яркости и потока.
Создание фемтосекундного рентгеновского излучения в ALS не будет мешать другим экспериментам на установке, поскольку лишь небольшая часть электронных сгустков в луче накопительного кольца модулируется лазером, и луч быстро восстанавливается. В своей научной статье авторы говорят, что с 300 электронными пучками в накопительном кольце они могут генерировать фемтосекундные импульсы рентгеновского излучения с частотой повторения до 100 000 импульсов в секунду..
Удаление ультракороткого среза электронов из пучка накопительного кольца оставляет после себя дыру в пучках пучков, которая действует как «темный импульс» когерентного инфракрасного света. В принципе, этот инфракрасный импульс также может быть использован для фемтосекундной спектроскопии.
В недавнем обзоре ALS, спонсируемом Министерством энергетики, экспертная группа под председательством Ива Петрова, генерального директора Европейского центра синхротронного излучения, предсказала, что комбинация ALS с фемтосекундным лазером наконец-то позволили ученым реализовать давнюю мечту о прямых рентгеновских экспериментах в субпикосекундном масштабе времени.
Berkeley Lab - национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Беркли, Калифорния. Он проводит несекретные научные исследования и управляется Калифорнийским университетом.