Shkencëtarët prodhuan impulse me rreze X dhjetë herë më të fuqishme se kurrë më parë

Shkencëtarët në Laboratorin Kombëtar të Përshpejtuesit SLAC të Departamentit të Energjisë zhvilluan një metodë të re për të shtyrë kufijtë e lazerit me elektron të lirë me rreze X (XFEL) të laboratorit Linac Koherent Linac (LCLS), zbulon një deklaratë për shtyp.

Ekipi përshtati një teknikë fituese të çmimit Nobel të përdorur për të krijuar impulse lazer optike super të fuqishme të quajtura përforcim i pulsit të cicëruar (CPA). Duke bërë këtë, ata ishin në gjendje të prodhonin impulse me rreze X dhjetë herë më të fuqishme se kurrë më parë.

Ekipi, i cili publikoi gjetjet e tyre në revistën Physical Review Letters më 18 nëntor, ishte në gjendje të rriste fuqinë e pulseve të rrezeve X dhjetëfish duke qëndruar brenda infrastrukturës ekzistuese të lazerit me elektron të lirë të LCLS.

“Pulset aktuale të lazerit me rreze X nga lazerët me elektron të lirë kanë një fuqi maksimale prej afërsisht 100 gigavat dhe zakonisht me një strukturë komplekse dhe stokastike,” tha Haoyuan Li, një studiues postdoktoral në SLAC dhe Universitetin Stanford dhe autori kryesor i studimit të ri. .

Me amplifikimin e pulsit të cicëruar për rrezet X, vazhdoi Li, “ne kemi treguar se mund të arrijmë parametra shumë të ndikimit të rrezes me fuqi maksimale më të madhe se 1 teravat dhe një kohëzgjatje pulsi prej rreth 1 femtosekondë në të njëjtën kohë.”

Lazeri i LCLS përdor një kamerë me rezolucion atomik duke e lejuar atë të kapë imazhe të ndryshimeve të vogla në molekula brenda fraksioneve të sekondës. Prandaj, lazeri i fuqishëm është një mjet i madh kërkimor për mjekësinë, astrofizikën, biologjinë dhe potencialisht një numër fushash të tjera.

Një problem që shkencëtarët kanë hasur me LCLS, megjithatë, është se rritja e fuqisë së lazerit mund të bëjë që koha e pulseve lazer të mos jetë konsistente, gjë që e pengon atë të kapë imazhe të sakta.

Për shkak të këtij problemi, “në dekadën e kaluar të eksperimenteve me lazer XFEL, më shumë se 90 për qind e eksperimenteve përdorën burimin e rrezeve X si një elektrik dore ultra të shpejtë”, tha Diling Zhu, shkencëtar i lartë në SLAC dhe bashkautor i lartë i studimit. “Shumë pak e përdorën atë si “lazer” në kuptimin se si ne përdorim lazerët optikë. Ne sapo kemi filluar të mësojmë se si të manipulojmë rrezet e rrezeve X siç kemi bërë për dekada me lazerët optikë.”

Ekipi i studiuesve përdori një proces të quajtur reflektim asimetrik Bragg për të zbatuar procesin CPA në lazer. CPA u shpik në vitet 1980 nga fizikantët Donna Strickland dhe Gérard Mourou nga Universiteti i Rochester. Në vitin 2018, ata fituan çmimin Nobel në Fizikë për punën e tyre. Fillimisht ata krijuan CPA për të rritur fuqinë e lazerëve optikë duke zgjatur kohëzgjatjen e një impulsi energjie përpara se ta kalonin atë përmes një amplifikuesi. Një kompresor më pas e kthen mbrapsht shtrirjen, duke rezultuar në një impuls super të fuqishëm ultra të shkurtër.

Li tha se ai dhe ekipi i tij “e kuptuan se reflektimet asimetrike të Bragg mund të përdoren për të zbatuar mekanizmin CPA. Më pas, ekipi ynë i optikës me rreze X dhe ekipi i fizikës së përshpejtuesit punuan së bashku për të optimizuar dizajnin bazuar në simulimet me parametra realistë të rrezes.”

Duke përdorur modelimin kompjuterik më të avancuar, studiuesit projektuan një metodë të re CPA që gjeneron një puls me rreze X me fuqi të lartë brenda parametrave të rrezeve të lazerëve me elektron të lirë – që do të thotë se mund të përdoret me teknologjinë ekzistuese.

“Sistemi ynë i ri tregon se ne mund të prodhojmë pulse teravat, femtosekondë të forta me rreze X me pajisjet ekzistuese lazer me elektron të lirë,” tha Li. Më pas, vazhdoi ai, “ne do të donim të demonstronim eksperimentalisht se mund të ndërtojmë barelën dhe kompresorin e kërkuar që plotësojnë specifikimet e dizajnit të sistemit, duke filluar me një prototip miniaturë.”