Rekor Kıran X-ışınları Saç Telinden 100.000 Kez Daha Dar Bir Noktaya Sıkıştırıldı

Elektronlar atom ve moleküllerin içinde o kadar hızlı hareket eder ki, davranışlarını çalışmak için yalnızca bir milyarlığın milyarlık kadar süren ışık flaşlarına ihtiyaç vardır.

şimdi alana=”” bilim=”” bir=”” bu=”” buldu=”” böylece=”” daha=”” flaşlarını=”” getirdi.<=”” güçlü=”” hale=”” insanları=”” küçük=”” kısa=”” noktada=”” numuneye=”” onları=”” p=”” ultra=”” ve=”” x-ışın=”” yolunu=”” yoğunlaştırmanın=”” çarptıkları=””>

Avrupa X-ışını Serbest Elektron Lazerinde (European XFEL) yapılan bir deneyde araştırmacılar sert ışın attosekundunda rekor yoğunluğa ve akıya ulaştılar. Zirve yoğunlukları santimetrekare başına 10²⁰ wattı aştı.

“Bu, sert X-ışını attosecond bir pulse için yoğunluk ve akıda dünya rekorudur,” diye söyledi Tokyo Üniversitesi’nde çalışan baş araştırmacı Ichiro Inoue. söyledi.

Bu ilerleme, bilim insanlarına elektronların yoğun ışığa nasıl tepki verdiğini araştırmada ve nihayetinde kimyasal reaksiyonlar sırasında onları kontrol etmenin yollarını keşfetme konusunda yardımcı olabilir.

Nasıl hassay aynalar X-ışın enerjisini paketler

April 2026’da gerçekleştirilen deney, tahmini 300 attosecond süren X-ışın flaşlarını kullandı. Bir attosecond bir milyarlığın milyardır ve bu pulse’ları elektronlarla ilgili en hızlı süreçlerden bazılarını araştırmaya uygun kılar.

Araştırmacılar pulse’ları iki hassay aynadan oluşan gelişmiş Kirkpatrick–Baez (AKB) optik sisteminden geçirdi. Her flaş toplamda dört kez aynalardan yansıdı. Bir ayna X-ışınlarını dikey olarak odakladı, diğeriyse yatay olarak odaklayarak ışını yalnızca 180 × 330 nanometre ölçülen bir alana yoğunlaştırdı.

Kısaca araştırmacılar X-ışınlarını bir insan saçının kesit alanından yaklaşık 100.000 kat daha küçük bir alana odaklamayı başardılar.

Bu başarı, Avrupa XFEL’de araştırmacıların terawatt ölçeğinde sert X-ışını attosecond pulse’ları gösterdiği önceki çalışmaların üzerine inşa ediliyor. Ancak güçlü pulse’lar üretmek sorunun yalnızca bir kısmıdır.

Enerjinin aynı zamanda istenen etkileri yaratmak için yeterli ölçüde yoğun biçimde numuneye ulaşması gerekir ve bu, maddeyi küçük ölçeklerde çalışmaya yarayan diğer X-ışın lazer teknolojilerinin de karşılaştığı bir zorluktur.

“Birkaç yıl önce, European XFEL’de terawatt ölçeğinde sert X-ışını attosecond pulse’ları göstermiştik. Ama güçlü pulse’lar üretmek yalnızca ilk adımdır. Deneyler için asıl önemli olan numuneye ne ulaştırabildiğimizdir. Bu ilerlemeyle şimdi attosecond X-ışınlarını, X-ışınları ile madde arasındaki son derece doğrusal olmayan etkileşimleri araştırmak için kullanabiliyoruz,” diye söyledi araştırmacılardan biri olan Jiawei Yan.

Bakır atomlar rekor yoğunluğu doğrulamaya yardımcı olur

Yoğunluğu bağımsız olarak kontrol etmek için ekip, X-ışın pulse’larını bir bakır folyoya yönlendirdi ve atomlarının yaydığı ışığı inceledi.

Giren X-ışınları bakır atomlarının derin iç kabuklarından elektronları kopararak boşluklar ya da delikler bıraktı. Dış kabuklardan gelen elektronlar sonra bu boşluklara düştü ve enerjiyi X-ışını olarak yaydı.

Yeterince yoğun aydınlatma altında, bu yayınım aynı yönde ilerleyen diğer uyarılmış bakır atomlarını X-ışını yaymaya teşvik edebilir. Ortaya çıkan güçlendirme daha güçlü ve daha yoğun bir sinyal üretir. Bu süreç, X-ışın lazerlerinin mümkün kıldığı yayınım süreçleriyle ilgili olan güçlendirilmiş kendiliğinden yayıma (ASE) denir.

“Bunun gerçekleşmesini görmek neredeyse büyülüdür. Normal floresans, giren ışının yönünden bağımsız olarak her yöne gider. Ama ASE eşiği aşıldığında, ışık konisinin öne doğru yoğunlaşmaya başladığını görürsün,” dedi deneyin gerçekleştirildiği tesisin proje lideri ancak çalışmaya doğrudan dahil olmayan Anders Madsen.

Başlangıçta ASE sinyali araştırmacılar pulse enerjisini artırdıkça hızla büyüdü. Ancak daha yüksek enerjilerde sinyal yataylanmaya başladı ve bu, doygunluk olarak bilinen bir davranıştır.

Bu tepki, pulse enerjisi, süresi ve odaklanmış alan boyutundan tahmin edilen son derece yüksek yoğunluklarla uyumluydu ve hesaplamalara bağımsız bir kontrol sağladı.

Elektronları hareket halinde yakalamanın sonraki adımı

Bu başarı, araştırmacılara elektronların atom ve moleküllerdeki davranışlarını, madde yoğun X-ışını aydınlatmaya nasıl tepki verdiğini de dahil olmak üzere araştırmaya yardımcı olabilir. Uzun vadede bu çalışmalar kimyasal reaksiyonlar sırasında elektronik kontrol etme çabalarına katkıda bulunabilir.

Araştırmacılar zaten böyle hızlı değişimleri yakalamanın yollarını araştırıyor, bunun arasında kimyasal reaksiyonlar sırasında elektronları ve atomları görüntüleyen deneyler var. Ancak bu deney yoğun X-ışın pulse’larının üretimini ve doğrulamasını gösterdi, bir reaksiyon sırasında elektroniklerin doğrudan kontrolünü değil.

Şimdilik araştırmacılar Japonya’dan getirilen bir AKB ayna sistemini kullandılar. European XFEL kendi sistemini 2027’nin başlarında almayı bekliyor. Kurulup test edildikten sonra, bu kısa ve yoğun X-ışın flaşlarının tesisin MID enstrümanını kullanan dünya çapındaki araştırmacılara sunulması amaçlanıyor.

Çalışma, Optica dergisinde yayımlandı.