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 Forschungsarbeiten haben die Forscher eine Möglichkeit entwickelt, Röntgenlaserstöße zu erzeugen, die mehrere hundert Attosekunden (oder Milliardstel einer Milliardstel Sekunde) lang sind. Mit dieser Methode namens X-ray Laser-enhanced Attosecond Pulse Generation (XLEAP) können Wissenschaftler untersuchen, wie Elektronen, die um Moleküle kreisen, 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 nun neue Werkzeuge entwickelt, um diese Attosekundenpulse auf bahnbrechende Weise zu nutzen: den ersten Einsatz von Attosekundenpulsen in Pump-Probe-Experimenten und die Produktion der stärksten Attosekunden-Röntgenpulse jemals berichtet. Die Experimente wurden mit dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC durchgeführt und veröffentlicht in zwei Artikel In Naturphotonikkönnte Bereiche von der Chemie bis zur Materialwissenschaft revolutionieren, indem es Einblicke in die schnellsten Bewegungen innerhalb von Atomen und Molekülen bietet.
Eine neue Methode zur Messung ultraschneller Phänomene
In der ersten Entwicklung stellten die Forscher einen neuartigen Ansatz zur Durchführung von „Pump-Probe“-Experimenten mit Attosekunden-Röntgenimpulsen vor. Bei diesen Experimenten, die darauf abzielen, ultraschnelle Ereignisse zu messen, die kürzer als eine Billionstelsekunde sind, werden Atome mit einem „Pump“-Impuls angeregt und anschließend mit einem zweiten Impuls untersucht, um die daraus resultierenden Veränderungen zu beobachten.
Mit dieser Technik konnten Wissenschaftler die Elektronenbewegung 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 von Laserimpulsen in zwei Farben erzeugten und die Verzögerung zwischen ihnen sorgfältig auf bis zu 270 Attosekunden kontrollierten.
„Diese Fähigkeit eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung der Wechselwirkung von Licht mit Materie auf der grundlegendsten Ebene“, sagte Cryan. „Es ist spannend, weil es sich zu einem praktischen Werkzeug entwickelt hat, das es uns ermöglicht, Elektronendynamiken zu sehen, die einst außerhalb unserer Reichweite lagen. Wir beobachten jetzt Prozesse, die auf Zeitskalen ablaufen, die nahe an der Zeit liegen, die Licht braucht, 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, die Genauigkeit dieser Messungen verfeinern und ihre Anwendung auf wissenschaftliche Disziplinen erweitern.
Erzeugung leistungsstarker Attosekundenimpulse
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 Impulse ermöglicht es Wissenschaftlern, einzigartige Materiezustände zu erforschen und Phänomene zu beobachten, die in 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 dank eines speziellen Wellentyps erreicht, der seine Form und Geschwindigkeit auf dramatische Weise beibehält, während er sich durch das Elektronenpaket ausbreitet.“ Steigerung der Intensität und Energie unserer Impulse.
Die Forscher planen, diese Technologie weiter zu verfeinern, um die Stabilität und Kontrolle dieser Hochleistungsimpulse zu verbessern und ihre Anwendung auf verschiedene wissenschaftliche Bereiche auszuweiten.
Die wissenschaftliche Forschung vorantreiben
Diese Entwicklungen verschieben die Grenzen unserer Beobachtungs- und Messmöglichkeiten und schaffen die Grundlage 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 maßgeschneiderten Eigenschaften für Technologie, Energie und andere Bereiche. Das Verständnis der Elektronenbewegung während chemischer Reaktionen kann auch intelligente chemische Designprinzipien 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 Attosekundenimpuls, den wir erzeugen, bietet einen neuen Einblick in die Bausteine der Natur und enthüllt Dynamiken, die bisher dem Blick verborgen blieben. Wir erwarten noch viele weitere spannende Entdeckungen.“
Mehr Informationen:
Zhaoheng Guo et al., Experimentelle Demonstration der Attosekunden-Pump-Probe-Spektroskopie mit einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser, Naturphotonik (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01419-w
Paris Franz et al., Attosekunden-Röntgenimpulse im Terawatt-Maßstab von einem kaskadierten superstrahlenden Freie-Elektronen-Laser, Naturphotonik (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01427-w