Wereldrecord qua intensiteit bij korte, energierijke röntgenpulsen Röntgenflitsen die mogelijk een record breken

Onderzoekers bij de European XFEL hebben röntgenpulsen van attoseconden zo sterk gebundeld dat ze een recordbrekende intensiteit bereiken. Deze methode zou de weg kunnen effenen voor een grondiger onderzoek naar elektronen in atomen en moleculen.

Onderzoekers hebben bij de European XFEL röntgenflitsen gegenereerd die niet alleen extreem kort waren, maar ook een intensiteit bereikten die voor dit soort pulsen een record zou kunnen zijn. De onderzoekers richtten het röntgenlicht op een oppervlak dat ongeveer 100.000 keer kleiner was dan de doorsnede van een typische menselijke haar. Hierdoor werd het röntgenlicht geconcentreerd op een minuscuul, maar uiterst intens punt. Deze methode zou gedetailleerd onderzoek naar het gedrag van elektronen in atomen en moleculen mogelijk kunnen maken en op lange termijn zelfs de controle van elektronen tijdens chemische reacties mogelijk maken.

„Dit is een wereldrecord wat betreft intensiteit en fluxdichtheid voor een attoseconde-puls in het harde röntgengebied”, zegt Ichiro Inoue van de Universiteit van Tokio, eerste auteur van het artikel over de nieuwe laserpulsen. Het gebruikte „harde röntgenlicht“ is licht met een bijzonder korte golflengte. De fluxdichtheid geeft aan hoeveel energie dit licht op een bepaald oppervlak afgeeft. Bij de intensiteit speelt bovendien mee hoeveel energie per tijdseenheid aankomt. De onderzoekers schatten de duur van de in het experiment gebruikte pulsen op 300 attoseconden. De pulsen doorliepen een systeem van twee uiterst nauwkeurige spiegels, dat bekendstaat als de „Advanced Kirkpatrick-Baez“-optiek, kortweg AKB-optiek. Elke röntgenflits werd daarin in totaal vier keer gereflecteerd: de ene spiegel focusseerde de puls verticaal, de andere horizontaal. Dit leidde tot een brandpunt van slechts 180 × 330 nanometer.

„Enkele jaren geleden hebben we bij de European XFEL harde röntgenpulsen van attoseconden in het terawattbereik gegenereerd”, zegt DESY-wetenschapper Jiawei Yan, een van de auteurs van de studie. „Maar het genereren van krachtige pulsen is slechts de eerste stap. Voor experimenten is het vooral van belang wat er bij het monster terechtkomt. Dankzij deze vooruitgang kunnen we nu attoseconde-röntgenpulsen gebruiken om sterk niet-lineaire interacties tussen röntgenlicht en materie te onderzoeken.“

Bliksemflitsen met een enorme intensiteit

De onderzoekers hebben aangetoond dat de bliksemflitsen een piekintensiteit bereikten van meer dan 10²⁰ watt per vierkante centimeter. Hiervoor richtten ze de pulsen op een koperen folie. De röntgenpulsen onttrokken elektronen uit diepe binnenste schillen van de koperatomen en lieten daarbij „gaten“ achter. Wanneer andere elektronen deze gaten opvullen, zenden ze op hun beurt weer röntgenlicht uit. Bij zeer hoge intensiteiten kan dit licht andere geëxciteerde koperatomen stimuleren om meer röntgenlicht in dezelfde richting uit te zenden, waardoor het signaal wordt versterkt. Dit proces wordt versterkte spontane emissie (amplified spontaneous emission, ASE) genoemd.

„Het is bijna magisch om dit te zien”, zegt Anders Madsen, groepsleider bij het MID-experimentcentrum, waar het onderzoek werd uitgevoerd. „Normale fluorescentie verspreidt zich in alle richtingen, ongeacht de richting van de invallende puls. Zodra echter de ASE-drempel wordt overschreden, zie je hoe de lichtkegel zich in voorwaartse richting begint te verdichten.“

De onderzoekers constateerden dat het ASE-signaal aanvankelijk snel toenam naarmate de pulsenergie steeg, maar vervolgens bij hogere energieën afvlakte of verzadigde. Dit gedrag wordt alleen verwacht bij extreem hoge röntgenintensiteiten en leverde daarmee een onafhankelijke bevestiging op van de intensiteit die was geschat op basis van de pulsenergie, de duur en de focusgrootte.