Физики из Института Макса Борна хотят разработать устройство, с помощью которого они смогут расщеплять синхротронное излучение на очень короткие световые вспышки. Цель состоит в том, чтобы получить представление о природе материи, которое ранее считалось невозможным.
"Тогда давайте посмотрим на электроны." Из уст мюнхенского физика Мартина Вайнельта это звучит как само собой разумеющееся. В действительности, однако, профессор Института Макса Борна описывает выход за пределы прежней экспериментальной физики кратким предложением. Поскольку электроны нельзя увидеть, их поведение можно описать только с помощью вероятностей, но не проследить в деталях.
И все же Вайнельт и его коллеги из MBI исследуют отдельные электроны. Для этого они бомбардируют инертные газы короткими высокоэнергетическими лазерными вспышками и ускоряют содержащиеся в них атомы настолько, что электроны теряют свою орбиту. Энергия дозируется таким образом, что электроны возвращаются на свои орбиты - если их сметать, атом станет ионом, газ ионизируется.
Если электроны возвращаются на свой первоначальный энергетический уровень, они испускают фотон. «Мы используем эти фотоны для изучения других электронов», - говорит Вайнельт. Легкие частицы и электроны влияют друг на друга, они взаимодействуют - как это можно измерить с помощью так называемой фотоэлектронной спектроскопии.
С какой скоростью записывается жесткий диск?
С помощью одного «выстрела» из лазера исследователи получат моментальный снимок. Хитрость заключается в том, чтобы запустить как можно больше чрезвычайно коротких импульсов в быстрой последовательности, чтобы создать своего рода пленку с множеством изображений. Таким образом, исследователи получают представление о движении электронов. Их выводы имеют решающее значение, например, для динамики химических реакций, а также для сверхбыстрых процессов намагничивания. «Мы хотим выяснить, насколько быстро можно производить запись на жесткий диск», - говорит Вайнельт.
Вместе с коллегами из MBI и соседнего электронного накопительного кольца для синхротронного излучения BESSY, исследователь теперь хочет еще больше раздвинуть границы краткосрочной физики - свет, который исследователи используют для исследования своих образцов, стать еще ярче и красочнее, и при этом не должно увеличиваться длительность импульса. Проект получил обязательство по финансированию в рамках конкурса на получение средств от Pact for Innovation. Общий заявленный объем составляет 1,2 миллиона евро в течение следующих трех лет.
Электронные пакеты нарезаются на тонкие пластины
Конечная цель - устройство для фотоэлектронной спектроскопии, которое будет расположено в BESSY и будет разделять яркое синхротронное излучение на очень короткие световые вспышки. Как это работает? Вайнельт: «Часть проекта состоит в синхронизации одного из наших короткоимпульсных лазеров с электронным лучом от BESSY таким образом, что из пучков вращающихся электронов вырезается тонкий диск».
Длина пакетов измеряется временем, которое требуется им для прохождения точки. Это 50 пикосекунд, то есть 50 миллионных миллионных долей секунды. За это время электроны проходят полтора сантиметра со скоростью света. Из пучка электронов длиной с ноготь большого пальца исследователи вырезают с помощью отклоняющих магнитов диск толщиной не больше человеческого волоса - 0,03 миллиметра. Выраженное во времени: импульс составляет 100 фемтосекунд, т. е. 100 миллиардных миллионных долей секунды, и поэтому относится к одной минуте так же, как десять минут относятся к возрасту Вселенной.
Кроме того, ученые из Института Макса Борна хотят сами использовать свои лазеры для генерации коротковолнового света - в ВУФ и рентгеновском диапазонах. ВУФ расшифровывается как вакуумный ультрафиолет. Генерируемый свет имеет длину волны от десяти до 100 нанометров. В чем преимущество этих коротких волн? «Чем короче длина волны, - говорит Вайнельт, - тем больше энергии содержится в отдельных частицах света и тем глубже мы можем заглянуть в атомы».
Частицы света не совсем в унисон
MBI и BESSY идеально дополняют друг друга. У ученых из Института Макса Борна есть опыт генерации ультракоротких световых импульсов, и у них уже есть уникальный источник некогерентного рентгеновского излучения.
Некогерентный означает, что не все частицы света колеблются точно в унисон; Свет от лампы накаливания, например, некогерентен. Исследователи BESSY, с другой стороны, имеют большой опыт работы с очень ярким светом и с устройствами, которые должны противостоять этому излучению. У них также есть ноу-хау, чтобы изменить свет, чтобы его можно было использовать для освещения атомов.«Можно также сказать одноцветный или монохромный», - объясняет Вайнельт. Соответственно и машины для этого называются монохроматорами.
Получение опыта для светового монстра
В конце концов, должна быть создана система размером с небольшой грузовик, которая позволит исследователям получить представление о предмете, который ранее считался невозможным. «Наша концепция прямо предусматривает, что мы также доступны для внешних пользователей», - говорит Вайнельт.
"Исследователи со всего мира могут и должны проводить здесь эксперименты." BESSY. Лазер в Гамбурге, строительство которого только что было решено, станет настоящим световым монстром и затмит то, что сейчас происходит в BESSY и MBI. Тем важнее сейчас набраться опыта работы с такими лучами. Вайнельт: «Мы готовим сегодняшних молодых ученых к вопросам и экспериментам завтрашнего дня».