Рентгеновские лучи используются не только врачами для того, чтобы заглянуть внутрь вашего тела и определить, сломана ли у вас кость. Более мощные лучи, состоящие из очень коротких вспышек рентгеновского излучения, могут помочь учёным изучить структуру отдельных атомов и молекул и различить типы элементов.
Однако получить рентгеновский лазерный луч, который излучает сверхкороткие вспышки для фиксации самых быстрых процессов в природе, непросто — это целая наука.
Электромагнитные волны
Радиоволны, микроволны, видимый свет, ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи — всё это одно и то же явление: электромагнитные волны энергии, движущиеся в пространстве. Их отличает длина волны. Волны в рентгеновском диапазоне имеют короткую длину волны, в то время как радиоволны и микроволны гораздо длиннее. Разные длины волн света полезны для разных целей — рентгеновские лучи помогают врачам делать снимки вашего тела, а микроволны могут разогреть ваш обед.
Оптические лазеры
Оптические лазеры — это устройства, которые излучают параллельные, или коллимированные, лучи света. Они посылают луч, в котором все волны имеют одинаковую длину волны — красный свет, который вы получаете от лазерной указки, является одним из примеров — и колеблются синхронно.
Рентгеновские лазеры на свободных электронах
За последние 15 лет учёные создали рентгеновские лазеры на свободных электронах, которые вместо того, чтобы излучать лучи видимого света, испускают рентгеновские лучи. Они размещены в крупных установках, где электроны движутся через длинный ускоритель — в зависимости от установки, от нескольких сотен метров до 1700 ярдов — и после прохождения через серию тысяч магнитов генерируют чрезвычайно короткие и мощные рентгеновские импульсы.
Эти импульсы используются как вспышка в фотографии, где вспышка — рентгеновский импульс — достаточно коротка, чтобы зафиксировать быстрое движение объекта. Исследователи использовали их в качестве камер для изучения того, как атомы и молекулы движутся и изменяются внутри материалов или клеток.
Однако, хотя эти рентгеновские импульсы на свободных электронах очень короткие и мощные, они не являются самыми короткими импульсами, которые учёные могут создавать с помощью лазеров. Используя более передовые технологии и используя свойства некоторых материалов, исследователи могут создавать ещё более короткие импульсы: в аттосекундном диапазоне.
Что такое аттосекунда?
Одна аттосекунда — это одна миллиардная от одной миллиардной доли секунды. Аттосекунда для одной секунды — это то же самое, что одна секунда для 14-миллиардного возраста Вселенной. Самые быстрые процессы в атомах и молекулах происходят в аттосекундном масштабе: например, электронам требуются аттосекунды для перемещения внутри молекулы.
Мы — физики, которые работают с рентгеновскими лазерами на свободных электронах. Мы изучаем, что происходит, когда мы помещаем различные типы материалов на пути рентгеновских импульсов на свободных электронах. В новом эксперименте мы поместили образцы меди и марганца на пути высокосфокусированных рентгеновских импульсов на свободных электронах. Мы знали, что взаимодействия между этими элементами и импульсами рентгеновского лазера на свободных электронах будут генерировать новые импульсы рентгеновского лазера.
Изначально мы хотели выяснить, как различные химические формы элемента марганца — например, марганец-II и марганец-VII — будут создавать небольшие изменения в длинах волн этих вновь сгенерированных импульсов рентгеновского лазера.
Но по ходу работы мы обнаружили некоторые неожиданные результаты, которые заставили вновь сгенерированные импульсы рентгеновского лазера вести себя странно. Сначала мы не понимали почему, но когда мы в конце концов разобрались, мы поняли, что открыли два уникальных лазерных явления, и что эти эффекты помогли нам генерировать рентгеновские лазерные импульсы, которые были намного короче, чем мы ожидали — короче, чем самые быстрые рентгеновские импульсы, когда-либо ранее сгенерированные.
Мы обнаружили, что наши новые рентгеновские лазерные импульсы не всегда исходили в прямом направлении, как мы ожидали. Когда мы увеличили интенсивность рентгеновских импульсов на свободных электронах, результирующие новые рентгеновские лазерные импульсы исходили нерегулярно, в несколько разных направлениях.
Для оптических лазеров эти нерегулярные всплески — или филаментация — возникают из-за изменения показателя преломления в лазерном материале. Но мы не ожидали увидеть этот эффект для рентгеновских лучей, поскольку материалы — включая марганец и медь, которые мы использовали — не очень сильно преломляют рентгеновские лучи.
Однако высокоинтенсивные импульсы рентгеновского лазера на свободных электронах, которые мы использовали, генерировали флуктуации на квантовом уровне в наших материалах, которые привели к этим нерегулярным всплескам.
Ещё более удивительным, чем эффекты филаментации, которые мы наблюдали, был тот факт, что генерируемые нами рентгеновские импульсы содержали множество различных длин волн, которые были более разнесены, чем мы ожидали увидеть с материалами, которые мы использовали.
Семьдесят лет назад — за пять лет до того, как был построен первый оптический лазер — физики Стэнли Олтлер и Чарльз Таунс обнаружили странное явление в микроволновом диапазоне, известное как раби-циклы. И распределение длин волн, которое мы видели, выглядело так же, как раби-циклы.
Олтлер и Таунс знали, что когда свет попадает в атом, атом поглощает его энергию, возбуждая электрон с одного энергетического уровня на более высокий. Отверстие, оставленное отсутствующим электроном, заполняется электроном, который спускается с более высокого энергетического уровня в атоме и высвобождает — или излучает — эту разницу энергий в виде света.
Олтлер и Таунс обнаружили, что когда микроволны очень интенсивны, сильное электрическое поле может разделить каждый из этих энергетических уровней на два отдельных уровня, называемых дублетами, которые имеют слегка отличающиеся энергии.
Эти дублеты разделены энергией, или частотой, известной как частота Раби. Частота Раби зависит от интенсивности нового света. Чем она сильнее, тем больше разница в энергиях.
В открытии Олтлера и Таунса они использовали микроволны. Расщепление энергии было настолько малым, что частота Раби была очень низкой, на частотах радиоволн.
В этом новом исследовании мы использовали рентгеновские лучи, которые имеют в 100 миллионов раз более короткие длины волн, чем микроволны, и в 100 миллионов раз больше энергии. Это означало, что результирующие новые рентгеновские лазерные импульсы были разделены на различные длины волн рентгеновского излучения, соответствующие частотам Раби в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Ультрафиолетовый свет имеет частоту в 100 миллионов раз выше, чем радиоволны.
Эффект Раби позволил нам генерировать самые короткие высокоэнергетические рентгеновские импульсы на сегодняшний день, длительностью 60–100 аттосекунд.
Хотя импульсы, которые в настоящее время генерируют рентгеновские лазеры на свободных электронах, позволяют исследователям наблюдать за формированием, перестройкой и разрушением атомных связей, они недостаточно быстры, чтобы заглянуть внутрь электронного облака, которое генерирует такие связи. Использование этих новых аттосекундных рентгеновских лазерных импульсов может позволить учёным изучить самые быстрые процессы в материалах на атомном уровне и различить разные элементы.
В будущем мы также надеемся использовать гораздо более короткие импульсы рентгеновского лазера на свободных электронах для более эффективного генерирования этих аттосекундных рентгеновских импульсов. Мы даже надеемся генерировать импульсы длительностью менее 60 аттосекунд, используя более тяжёлые материалы с более коротким временем жизни, такие как вольфрам или гафний. Эти новые рентгеновские импульсы достаточно быстры, чтобы в конечном итоге позволить учёным ответить на такие вопросы, как то, как именно движется электронное облако и что такое химическая связь.
ultraviolet light and X-rays are all exactly the same phenomenon: electromagnetic waves of energy moving through space. What differentiates them is their wavelength. Waves in the X-ray range have short wavelengths, while radio waves and microwaves are much longer. Different wavelengths of light are useful for different things—X-rays help doctors take snapshots of your body, while microwaves can heat up your lunch.»,»Optical lasers are devices that emit parallel, or collimated, beams of light. They send out a beam where all the waves have the same wavelength—the red light you get from a laser pointer is one example—and oscillate in synchronicity.»,»Over the past 15 years, scientists have built X-ray free-electron lasers, which instead of emitting beams of visible light emit X-rays. They are housed in large facilities where electrons travel through a long accelerator—depending on the facility, between a few hundred meters and 1,700 yards—and after passing through a series of thousands of magnets they generate extremely short and powerful X-ray pulses.»,»The pulses are used kind of like flash photography, where the flash—the X-ray pulse—is short enough to capture the fast movement of an object. Researchers have used them as cameras to study how atoms and molecules move and change inside materials or cells.»,»But while these X-ray free-electron laser pulses are very short and powerful, they’re not the shortest pulses that scientists can make with lasers. By using more advanced technology and taking advantage of the properties some materials have, researchers can create even shorter pulses: in the attosecond region.»,»One attosecond is one-billionth of a billionth of a second. An attosecond is to one second about what one second is to the 14 billion-year age of the universe. The fastest processes in atoms and molecules happen at the attosecond scale: For instance, it takes electrons attoseconds to move around inside a molecule.»,»We’re physicists who work with X-ray free-electron lasers. We study what happens when we put different types of materials in the X-ray free-electron pulses’ path. In a new experiment, we put copper and manganese samples in the path of highly focused X-ray free-electron laser pulses. We knew the interactions between these elements and the X-ray free-electron laser pulses would generate new X-ray laser pulses.»,»Originally, we wanted to find out how different chemical forms of the element manganese—for example, manganese-II and manganese-VII—would create small changes in the wavelengths of these newly generated X-ray laser pulses.»,»But along the way, we found some unexpected results that made the newly generated X-ray laser pulses act strangely. At first, we did not understand why, but when we eventually figured it out, we realized that we had discovered two unique laser phenomena, and that these effects had helped us generate X-ray laser pulses that were much shorter than we’d expected—shorter than the fastest X-ray pulses ever previously generated.»,»We found that our new X-ray laser pulses weren’t always shooting out in the forward direction, as we expected. When we increased the intensity of the X-ray free-electron laser pulses, the resulting new X-ray laser pulses spurted out irregularly, in slightly different directions.»,»For optical lasers, these irregular spurts—or filamentation—result from the index of refraction changing in the laser material. But we didn’t expect to see this effect for X-rays, since materials—including the manganese and copper we used—don’t refract X-rays very much.»,»However, the high intensity X-ray free-electron laser pulses we used generated the fluctuations at the quantum level in our materials that led to these irregular spurts.»,»Even more surprising than the filamentation effects we saw was the fact that the X-ray pulses we generated contained a variety of different wavelengths that were more spread out than what we expected to see with the materials we used.»,»Seventy years ago—five years before the first optical laser was built—physicists Stanley Autler and Charles Townes discovered a strange phenomenon in microwaves known as Rabi cycling. And the spread of wavelengths we saw looked just like Rabi cycling.»,»Autler and Townes knew that when light hit an atom, the atom would absorb its energy by exciting an electron from one energy level to a higher one. The hole left by that missing electron is filled by an electron that’s coming down from a higher energy level in the atom and releasing—or emitting—this energy difference as light.»,»What Autler and Townes found was that when the microwaves are very intense, the strong electric field can split each of these energy levels into two distinct levels, called doublets, which have slightly different energies.»,»These doublets are separated by an energy, or a frequency, known as the Rabi frequency. The Rabi frequency depends on the intensity of the new light. The stronger it is, the larger is the energy separation.»,»In Autler and Townes’ discovery of Rabi cycling, they used microwaves. The energy splitting was so small that the Rabi frequency was very low, at radio wave frequencies.»,»In this new study we used X-rays, which have 100 million times shorter wavelengths than microwaves and 100 million times more energy. This meant the resulting new X-ray laser pulses were split into different X-ray wavelengths corresponding to Rabi frequencies in the extreme ultraviolet region. Ultraviolet light has a frequency 100 million times higher than radio waves.»,»This Rabi cycling effect allowed us to generate the shortest high-energy X-ray pulses to date, clocking in at 60-100 attoseconds.»,»While the pulses that X-ray free-electron lasers currently generate allow researchers to observe atomic bonds forming, rearranging and breaking, they are not fast enough to look inside the electron cloud that generates such bonds. Using these new attosecond X-ray laser pulses could allow scientists to study the fastest processes in materials at the atomic-length scale and to discern different elements.»,»In the future, we also hope to use much shorter X-ray free-electron laser pulses to better generate these attosecond X-ray pulses. We are even hoping to generate pulses below 60 attoseconds by using heavier materials with shorter lifespans, such as tungsten or hafnium. These new X-ray pulses are fast enough to eventually enable scientists to answer questions such as how exactly an electron cloud moves around and what a chemical bond actually is.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tThe Conversation\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.![\"The](\"https://counter.theconversation.com/content/258776/count.gif?distributor=republish-lightbox-advanced\")
\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t «,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник