Дослідники змогли зосередити надкороткі рентгенівські імпульси на ділянці розміром лише 180×330 нанометрів і досягти рекордної інтенсивності для такого типу випромінювання. Експеримент провели на європейському рентгенівському лазері на вільних електронах European XFEL. Отримані результати можуть допомогти вченим детальніше досліджувати взаємодію рентгенівського випромінювання з атомами та молекулами.
Імпульси тривали приблизно 300 аттосекунд. Одна аттосекунда дорівнює (10^{-18}) секунди — мільярдній частці мільярдної частки секунди. Такі часові масштаби особливо важливі для вивчення руху електронів, який відіграє ключову роль у хімічних реакціях. Результати дослідження, проведеного у квітні 2026 року, опублікували в журналі Optica.
Як вдалося сконцентрувати рентгенівське випромінювання
Для експерименту команда використала жорстке рентгенівське випромінювання, довжина хвилі якого особливо мала. Проте створити потужний імпульс недостатньо: потрібно ще доставити його енергію до надзвичайно маленької ділянки зразка.
Для цього науковці застосували вдосконалену оптичну систему Кіркпатріка—Беза (AKB), привезену з Японії. Вона використовує два надточні дзеркала: одне фокусує випромінювання у вертикальному напрямку, інше — у горизонтальному. Загалом кожен імпульс відбивався чотири рази.
У результаті рентгенівське випромінювання вдалося сконцентрувати на ділянці розміром лише 180 × 330 нанометрів. Це набагато менше за товщину людської волосини.
На основі енергії імпульсу, його розрахункової тривалості та розміру фокусної плями дослідники оцінили пікову інтенсивність — понад (10^{20}) ватів на квадратний сантиметр. За словами авторів роботи, це рекордний показник інтенсивності та флюенсу для аттосекундних імпульсів жорсткого рентгенівського випромінювання. Флюенс характеризує енергію, що припадає на одиницю площі, тоді як інтенсивність також враховує час її надходження.
Мідь допомогла перевірити рекорд
Щоб перевірити розрахунки, науковці спрямували імпульси на мідну фольгу. Рентгенівські фотони вибивали електрони з внутрішніх оболонок атомів міді, залишаючи в них вакансії. Коли інші електрони переходили на вільні місця, атоми випромінювали рентгенівське світло.
За достатньо високої інтенсивності це випромінювання може стимулювати інші збуджені атоми випускати додаткові рентгенівські фотони в тому самому напрямку. Так виникає підсилення випромінювання, відоме як amplified spontaneous emission (ASE).
Спочатку сигнал ASE швидко зростав зі збільшенням енергії імпульсу, але за вищих значень починав насичуватися. Така поведінка відповідала очікуванням для надзвичайно інтенсивного рентгенівського випромінювання та стала незалежним підтвердженням розрахунків команди.
Навіщо потрібні такі короткі й потужні імпульси
Щоб зрозуміти, як відбуваються хімічні реакції, вченим потрібно простежувати зміни електронних станів атомів і молекул у надзвичайно короткі проміжки часу. Аттосекундні рентгенівські імпульси можуть слугувати своєрідним надшвидким інструментом для дослідження цих процесів.
Водночас виникає складність: рентгенівське випромінювання здатне змінювати сам зразок, який дослідники намагаються вивчити. Тому важливо отримати достатньо сильний сигнал за такий короткий час, щоб зібрати корисні дані до того, як зміни в матеріалі стануть значними.
European XFEL планує отримати власну систему AKB на початку 2027 року. Після встановлення та налаштування обладнання дослідники з різних країн зможуть використовувати на інструменті MID подібні надкороткі й інтенсивні рентгенівські імпульси.
Це відкриє нові можливості для вивчення нелінійної взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною та допоможе точніше досліджувати процеси, що лежать в основі хімічних реакцій.