Υπερσύντομοι παλμοί ακτίνων-Χ φωτίζουν πολύ γρήγορα γεγονότα

Από σελίδα του Physics Web, 28 Νοεμβρίου 2001

Παλμοί ακτίνων-X που διαρκούν λιγότερο από ένα femtosecond - δηλαδή 10^-15 sec. - δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά από φυσικούς στη Αυστρία. Ο Ferenc Krausz του πανεπιστημίου της Βιέννης και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν αυτούς τους παλμούς, πάρα πολύ μικρής διάρκειας, για να διερευνήσουν τον ιονισμό του Κρυπτού - μια διαδικασία που λαμβάνει χώρα πολύ γρήγορα για ν' ανιχνευτεί με τις υπάρχουσες τεχνικές. Η τεχνική αυτή σημειώνει τη μετάβαση από την παρακολούθηση γρήγορων μοριακών διαδικασιών στην παρακολούθηση εξαιρετικά γρήγορων δυναμικών υποατομικών φαινομένων μέχρι την κλίμακα του attosecond - 10^-18sec. (M Hentschel et al 2001 Nature 414 509).

Οι χημικές αντιδράσεις τυπικά λαμβάνουν χώρα σε κλίμακες χρόνου της τάξης του femtosecond - δηλαδή 10^-15 δευτερόλεπτα - και οι επιστήμονες έχουν πρόσφατα χρησιμοποιήσει σύντομους παλμούς laser για να παρακολουθήσουν τέτοια γεγονότα. Αλλά διαδικασίες που εμπλέκουν ηλεκτρόνια όπως ο ιονισμός, συμβαίνουν 1000 φορές πιο γρήγορα, και χρειάζονται ακόμη βραχύτεροι παλμοί για να μελετηθούν.

Οι παλμοί laser διάρκειας femtoseconds είναι τόσο σύντομοι ώστε περιέχουν μόνο μερικές ταλαντώσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Αυτό σημαίνει ότι είναι αδύνατον να τους μικρύνουμε κι άλλο ώστε να παρακολουθήσουμε ηλεκτρονικά φαινόμενα. Αλλά ο Krausz και οι συνεργάτες του ξεπέρασαν αυτό το πρόβλημα στέλνοντας femtosecond παλμούς ορατού φωτός σε αέριο Νέον.

Καθώς το φως εισέρχεται στο αέριο, αποσπά ηλεκτρόνια από τα άτομα. Αυτά τα ηλεκτρόνια ταλαντώνονται σύντομα στο ηλεκτρικό πεδίο του φωτός πριν να συγκρουστούν με τα νεοδημιουργηθέντα ιόντα Νέον και να δημιουργήσουν μια έκλαμψη ακτίνων-Χ. Αλλά είναι κρίσιμο το γεγονός ότι ο αρχικός femtosecond παλμός, εκδιώκει ηλεκτρόνια από τα άτομα στα οποία ανήκαν αρχικά, μόνο στην κορύφωση της έντασής του και αυτό κάνει τις εκλάμψεις των ακτίνων Χ εξαιρετικά σύντομες σε διάρκεια.

Για να μετρήσουν τη διάρκεια αυτών των νέων παλμών ακτίνων-Χ ο Krausz και οι συνεργάτες του κατηύθυναν έναν από αυτούς - και τον αρχικό παλμό ορατού φωτός - σε ένα στόχο από Κρυπτόν. Οι ακτίνες-Χ ιονίζουν τα άτομα Κρυπτού, και οι ενέργειες των ελευθέρων ηλεκτρονίων εξαρτώνται από το ηλεκτρικό πεδίο του φωτεινού παλμού τη στιγμή που εκτοξεύθηκαν από το άτομο. Εισάγοντας διάφορες καθυστερήσεις μεταξύ των αφίξεων των δύο παλμών στο στόχο Κρυπτού, η ομάδα του Krausz μπόρεσε να μετρήσει την περιοχή τιμών των ενεργειών των ηλεκτρονίων και να πιστοποιήσει ότι οι παλμοί των ακτίνων Χ διαρκούσαν ακριβώς 650 attoseconds.

"Με αυτούς τους attosecond παλμούς θα μπορέσουμε για πρώτη φορά να παρακολουθήσουμε μια μεγάλη γκάμα δυναμικών φαινομένων των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα ", λέει ο Krausz. "Μαζί με τη θεμελιακής σημασίας παρακολούθηση των κβαντικών μεταπτώσεων των ηλεκτρονίων, θα γίνει δυνατή η ανάπτυξη ισχυρών laser ακτίνων-Χ που θα έχουν πολλές εφαρμογές στην Φυσική, τη Χημεία και τη Βιοχημεία".