Erforschung des Ultrakleinen und Ultraschnellen dank Fortschritten in der Attosekundenwissenschaft

Ein Team von Wissenschaftlern am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums entwickelt neue Methoden, um die kleinsten Details des Universums mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit zu untersuchen.

In früheren Forschungen haben Forscher eine Möglichkeit entwickelt, Röntgenlaserstöße mit einer Dauer von mehreren hundert Attosekunden (oder Milliardstel einer Milliardstel Sekunde) zu erzeugen. Mit dieser Methode namens X-ray Laser-enhanced Attosecond Pulse Generation (XLEAP) können Wissenschaftler untersuchen, wie um Moleküle strömende Elektronen wichtige Prozesse in der Biologie, Chemie, Materialwissenschaft und mehr in Gang setzen.

Unter der Leitung der SLAC-Wissenschaftler Agostino Marinelli und James Cryan hat das Team heute neue Werkzeuge entwickelt, um diese Attosekundenpulse auf revolutionäre Weise zu nutzen: den ersten Einsatz von Attosekundenpulsen in Pump-Probe-Experimenten und die Produktion der stärksten Attosekunden-Röntgenpulse. nie gemeldet. Die Experimente wurden mit dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC durchgeführt und in zwei Artikeln in veröffentlicht Natürliche Photonikkönnte Bereiche von der Chemie bis zur Materialwissenschaft revolutionieren, indem es Einblicke in die schnellsten Bewegungen innerhalb von Atomen und Molekülen liefert.

Eine neue Methode zur Messung ultraschneller Phänomene

In der ersten Entwicklung stellten die Forscher einen neuen Ansatz zur Durchführung von „Pump-Probe“-Experimenten mit Attosekunden-Röntgenpulsen vor. Bei diesen Experimenten, die darauf abzielen, ultraschnelle Ereignisse von weniger als einer Billionstelsekunde zu messen, werden Atome mit einem „Pump“-Impuls angeregt und dann mit einem zweiten Impuls untersucht, um die daraus resultierenden Veränderungen zu beobachten.

Mit dieser Technik konnten Wissenschaftler die Bewegung von Elektronen innerhalb von Atomen und Molekülen verfolgen und messen, einen entscheidenden Prozess, der chemische Reaktionen, Materialeigenschaften und biologische Funktionen beeinflusst. Dies erreichten sie, indem sie Paare zweifarbiger Laserimpulse erzeugten und die Verzögerung zwischen ihnen sorgfältig auf 270 Attosekunden herabsetzten.

„Diese Fähigkeit eröffnet neue Möglichkeiten, die Wechselwirkung von Licht mit Materie auf der grundlegendsten Ebene zu untersuchen“, sagte Cryan. „Das ist aufregend, weil es zu einem praktischen Werkzeug geworden ist, das es uns ermöglicht, Elektronendynamiken zu beobachten, die einst außerhalb unserer Reichweite lagen. Wir beobachten jetzt Prozesse, die auf Zeitskalen ablaufen, die nahe an der Zeit liegen, die Licht benötigt, um ein Molekül zu durchqueren.“

In einer aktuellen Arbeit verwendeten Forscher diese Technik, um die Bewegung von Elektronen in flüssigem Wasser in Echtzeit zu beobachten. Zukünftige Studien werden diese Methode auf verschiedene molekulare Systeme anwenden, wodurch die Präzision dieser Messungen verfeinert und ihre Anwendung auf andere wissenschaftliche Disziplinen ausgeweitet wird.

Erzeugung leistungsstarker Attosekundenpulse

Die zweite Entwicklung konzentrierte sich auf die Erzeugung leistungsstarker Attosekundenimpulse mithilfe einer als „Superradiance“ bekannten Technik und erreichte Leistungswerte von fast einem Terawatt. Dieser Prozess beinhaltete einen Kaskadeneffekt in einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser, der die Leistung der Pulse deutlich verstärkte.

Die erhöhte Intensität dieser Pulse ermöglicht es Wissenschaftlern, einzigartige Materiezustände zu erforschen und Phänomene zu beobachten, die auf noch kürzeren Zeitskalen auftreten.

„Dies sind die stärksten Attosekunden-Röntgenimpulse, über die jemals berichtet wurde. Die Intensität dieser Impulse ermöglicht es uns, völlig neue Bereiche der Röntgenwissenschaft zu erforschen“, sagte Marinelli. „Wir haben die Grenzen der Röntgenpulsenergie erweitert und Leistungsniveaus erreicht, die neue experimentelle Bereiche eröffnen. Dieses Ergebnis wurde mithilfe eines speziellen Wellentyps erreicht, der seine Form und Geschwindigkeit beibehält, wenn er sich durch das Elektronenpaket ausbreitet, was die Leistung erheblich verbessert.“ Intensität und Energie unserer Pulse.

Die Forscher planen, diese Technologie weiter zu verfeinern, um die Stabilität und Kontrolle dieser Hochleistungsimpulse zu verbessern, mit dem Ziel, ihre Anwendung in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen zu erweitern.

Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Diese Entwicklungen stoßen an die Grenzen unserer Beobachtungs- und Messmöglichkeiten und ebnen den Weg für zukünftige wissenschaftliche Durchbrüche, die unser Verständnis der natürlichen Welt verändern könnten.

Die Beobachtung von Atomen und Elektronen in Bewegung erleichtert die Entwicklung neuer Materialien mit Eigenschaften, die für Technologie, Energie und andere Bereiche relevant sind. Das Verständnis der Bewegung von Elektronen während chemischer Reaktionen kann auch die Grundlagen intelligenten chemischen Designs erleichtern.

„Diese Studien vertiefen nicht nur unser Verständnis der Physik, sondern ebnen auch den Weg für zukünftige Innovationen, die unser Verständnis elektronengetriebener Prozesse verändern könnten“, sagte Cryan. „Jeder von uns erzeugte Attosekundenimpuls bietet neue Einblicke in die Bausteine ​​der Natur und enthüllt bisher verborgene Dynamiken. Wir erwarten noch viele weitere spannende Entdeckungen.“