Atosekondan süsert X-ışını darbelerinde dünya rekoru yoğunluk, atom ve moleküllerde elektronların daha yakından incelenmesini

Bu makale Science X’in
editörel süreci
ve politikaları uyarınca gözden geçirilmiştir.
Editörler, içeriğin güvenilirliğini sağlarken aşağıdaki özellikleri öne çıkarmıştır:

doğrulama işleminden geçmiş

akran değerlendirmesinden geçilmiş yayın

güvenilir kaynak

dil bilgisi düzeltmesinden geçmiş

Araştırmacılar, Avrupa XFEL’i kullanarak yalnızca son derece kısa olmakla kalmayan, aynı zamanda bu tür bir darbeye ait rekor yoğunluğa ulaşan X-ışını darbeleri oluşturdu. Araştırmacılar X-ışınlarını tipik bir insan saçının enine kesitinden yaklaşık 100.000 kez daha küçük bir alana odakladı. Bu, X-ışını ışığını küçük ama son derece güçlü bir noktaya yoğunlaştırdı. Yöntem, elektronların atom ve moleküllerdeki davranışlarının ayrıntılı biçimde incelenmesini sağlayabilir ve uzun vadede araştırmacıların kimyasal tepkimeler sırasında elektronları kontrol etmelerine bile izin verebilir. Araştırma ekibi, Nisan 2026’da gerçekleştirilen deneyin sonuçlarını Optica dergisinde yayınladı.

“Bu, sert-X-ışını attosekond darbesi için yoğunluk ve akı (fluence) açısından bir rekor,” diyor Yayının ilk yazarı Tokyo Üniversitesi’nden Ichiro Inoue. Sert X-ışınları, son derece kısa dalga boyuna sahip ışık dalgalarıdır. Akı, bu ışığın belirli bir alana ne kadar enerji ilettiğini ölçer. Yoğunluk ise aynı enerjinin ne kadar hızlı ulaştığını da hesaba katar.

Hassas aynalar attosekond darbeleri yoğunlaştırır

Deneyle kullanılan darbeler tahminen 300 attosecond sürdü (bir attosecond, bir saniyenin trilyonluk milyonda biri kadar kısa süredir). Bu darbeler, gelişmiş Kirkpatrick–Baez ya da AKB olarak bilinen, son derece hassas iki aynadan oluşan bir optik sistemden geçti. Her X-ışını darbesi toplamda dört kez yansıdı: biri durbeyi dikey, diğeri ise yatay biçimde odakladı. Bu sayede yalnızca 180 × 330 nanometrelik (bir nanometre bir metre’in trilyonluk milyonda biri kadar kısa uzunluktur) bir oda noktası oluştu.

“Birkaç yıl önce, Avrupa XFEL’de terawatt ölçeğinde sert X-ışını attosekond darbeleri ortaya koymuştuk,” diyor Çalışmanın karşılıklı yazarlarından DESY bilim insanı Jiawei Yan. “Ancak güçlü darbeler üretmek yalnızca ilk adım. Deneyler için asıl önemli olan, örneğe (sample) ne iletebildiğimizdir. Bu gelişmeyle artık attosekond X-ışınlarını kullanarak, X-ışınları ile madde arasındaki son derece doğrusal olmayan etkileşimleri keşfedebiliriz.

Bakır emisyonu rekor yoğunluğu doğrular

Araştırmacılar, darbeleri bir bakır folyoya tutarak tepe yoğunluğunun santimetrekare başına 10²⁰ watt’tan fazla olduğundan bağımsız biçimde emin oldular. X-ışınları bakır atomlarının derin iç kabuklarından elektronları kopardı ve arkalarında ‘delikler’ bırakırdı. Diğer elektronlar bu delikleri doldurduğunda, X-ışını ışığı yayarlar. Çok yüksek yoğunluklarda bu ışık, başka uyarılmış bakır atomlarını aynı yönde daha fazla X-ışını yaymaya teşvik ederek sinyali güçlendirir. Bu sürece güçlendirilmiş kendiliğinden emisyon ya da ASE denir.

“Bunun gerçekleşmesini görmek neredeyse büyülü bir şey,” diyor Çalışmanın gerçekleştirildiği MID aygıtındaki grup lideri Anders Madsen. “Normal floresans, gelen ışın demetinin yönünden bağımsız olarak her yöne yayılır. Ancak ASE eşiğini aştığınızda, ışık konisinin öne doğru yoğunlaşmaya başladığını görürsünüz.”

Araştırmacılar, ASE sinyalinin başta darbe enerisi yükseldikçe hızla arttığını, ancak daha yüksek enerjilerde ya da doygunluğa ulaşıncaya kadar düzleştiğini gözlemlediler. Bu davranış yalnızca son derece yüksek X-ışını yoğunluklarında beklenir ve darbinin enerisi, süresi ve oda noktası boyutundan tahmin edilen yoğunluğu bağımsız biçimde doğruladı.

Deneyle kullanılan gelişmiş Kirkpatrick–Baez ayna sistemi Japonya’dan getirildi. Avrupa XFEL, kendi AKB sistemini 2027’nin başlarında teslim almayı bekliyor. Kurulup devreye alındığında, bu sistemin dünya genelinden MID aygıtını kullanan araştırmacılara, X-ışınları örnekte önemli değişiklikler yaratmadan önce elektronlar hakkındaki bilgiyi yakalamaya yeterli kadar kısa ve yoğun X-ışını darbeleri sağlama amacı taşıyor.

Ichiro Inoue et al., Generation of high-fluence and high-intensity hard x-ray attosecond pulses at European XFEL, Optica (2026). DOI: 10.1364/optica.613284

Sağlayan
European XFEL

İngilizce yüksek lisans, 2021’den beri yükseköğretim ve sağlık içeriğinde deneyime sahip kopya editörü. Güvenilir bilim haberlerine adanmış.

Tam profil →

Matematiksel biyoloji lisansı, yaratıcı yazma yüksek lisansı. Bilim ve dil hakkında benzersiz bakış açılarına sahip, iyi yol görmüş.

Tam profil →

Editörlere geri bildirim