Im jaśniej tym ciemniej? O nieintuicyjnym działaniu laserów rentgenowskich
Ośrodek akceleratorowo-laserowy SACLA z laserem na swobodnych elektronach, gdzie przeprowadzono doświadczenia nad rozpraszaniem ultrakrótkich impulsów rentgenowskich na próbkach krystalicznego krzemu. (Źródło: SACLA)
Efekt sprzeczny z intuicją: im jaśniejsza wiązka światła laserowego, tym słabszy obraz dyfrakcyjny - wyjaśnili fizycy z japońskich, polskich i niemieckich instytucji naukowych. Zrozumienie tego zjawiska to nadzieja na produkcję impulsów laserowych istotnie krótszych od dotychczasowych - informuje zaangażowany w badania Instytut Fizyki Jądrowej PAN.
Z badań wynika, że zanim próbka rozpadnie się pod wpływem lawiny fotonów o dużej energii, najpierw pojawia się szybko postępujące uszkodzenie elektroniczne. W rezultacie końcowa część impulsu promieniowania praktycznie nie jonizuje już materiału, bo dalsze wzbudzenia elektronów przez fotony rentgenowskie nie są już energetycznie możliwe. Procesy odpowiedzialne za słabnięcie obrazu dzieją się zatem w pierwszych femtosekundach interakcji światła z materią.
"Gdy coś oświetlamy, zwykle oczekujemy, że im jaśniejszego użyjemy źródła, tym jaśniejszy będzie otrzymany obraz. Reguła ta działa również w przypadku ultrakrótkich impulsów światła laserowego – lecz tylko do pewnego momentu. Gdy próbki zawierające kryształy krzemu oświetla się ultrakrótkimi impulsami laserowymi światła rentgenowskiego, powstające obrazy dyfrakcyjne początkowo rzeczywiście są tym jaśniejsze, im więcej fotonów padło na próbkę, czyli im większa była intensywność wiązki. Jednak gdy intensywność wiązki zaczyna przekraczać pewną wartość graniczną, obrazy dyfrakcyjne niespodziewanie słabną" - wyjaśniają w komunikacie polscy przedstawiciele zespołu badawczego.
LAWINA FOTONÓW WYBIJA ELEKTRONY Z POWŁOK ATOMOWYCH
Jak tłumaczy prof. dr hab. Beata Ziaja-Motyka z IFJ PAN w Krakowie oraz Centrum Badań z Użyciem Laserów na Swobodnych Elektronach w laboratorium DESY w Hamburgu, rentgenowskie lasery na swobodnych elektronach generują ultrakrótkie, bardzo silne impulsy promieniowania rentgenowskiego o czasach trwania liczonych w femtosekundach, czyli biliardowych częściach sekundy. Urządzenia tego typu, obecnie działające w zaledwie kilku miejscach na świecie, służą m.in. do analizowania struktury materii za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej. W technice tej próbkę oświetla się impulsem rentgenowskim, po czym rejestruje się rozproszone promieniowanie, by na jego podstawie próbować zrekonstruować pierwotną strukturę krystaliczną badanego materiału.
„Intuicja podpowiada, że im więcej będziemy mieli fotonów, tym obraz dyfrakcyjny próbki powinien być wyraźniejszy. Tak rzeczywiście jest, lecz tylko do pewnej granicznej intensywności, rzędu dziesiątków trylionów watów na centymetr kwadratowy. Gdy ją przekraczamy – a dopiero od niedawna potrafimy to robić – sygnał dyfrakcyjny nagle zaczyna słabnąć. Nasze badania są pierwszą próbą wyjaśnienia tego nieoczekiwanego efektu” - mówi prof. Beata Ziaja-Motyka, współautorka artykułu opublikowanego w Physical Review Letters.
Badania teoretyczne, podjęte w celu wyjaśnienia wyników eksperymentów z ostrzeliwaniem próbek krystalicznego krzemu przez laser XFEL w japońskim ośrodku SACLA w Hyogo, zostały wsparte symulacjami komputerowymi.
DECYDUJĄ PIERWSZE FEMTOSEKUNDY INTERAKCJI
„Gdy w sieć krystaliczną materiału uderza lawina fotonów o dużej energii, dochodzi do masowego wybijania elektronów z różnych powłok atomowych, wskutek czego atomy szybko się jonizują. W zeszłym roku nasza grupa wykazała, że pierwsze ruchy zjonizowanych atomów w sieci krystalicznej, inicjujące proces strukturalnego samozniszczenia próbki, pojawiają się z pewnym opóźnieniem, po mniej więcej 20 femtosekundach od momentu uderzenia impulsu świetlnego w próbkę. Teraz jesteśmy przekonani, że przyczyną zaobserwowanego słabnięcia sygnału dyfrakcyjnego są zjawiska zachodzące wcześniej, w pierwszych sześciu femtosekundach interakcji” - ustalił cytowany w komunikacie dr Ichiro Inoue z RIKEN SPring-8 Center, odpowiedzialny za część eksperymentalną badań.
W początkowej fazie interakcji ultrakrótkiego impulsu rentgenowskiego z materią lawina wysokoenergetycznych fotonów gwałtownie wybija z atomów nie tylko elektrony "wierzchnie" (walencyjne), ale także część tych okupujących głębokie powłoki atomowe, bliższe jądru atomowemu. Okazuje się, że atomy z elektronami powybijanymi z głębokich powłok szczególnie silnie redukują atomowe czynniki rozpraszania, czyli wielkości determinujące natężenie obserwowanego sygnału dyfrakcyjnego.
„Z naszych badań wynika zatem, że zanim dojdzie do strukturalnego uszkodzenia materiału i próbka się rozpadnie, najpierw pojawia się szybko postępujące uszkodzenie elektroniczne. W rezultacie końcowa część impulsu praktycznie nie jonizuje już materiału, bo dalsze wzbudzenia elektronów przez fotony rentgenowskie nie są już energetycznie możliwe” - precyzuje prof. Ziaja-Motyka.
Na pierwszy rzut oka zaobserwowany efekt wydaje się wyłącznie niekorzystny, ponieważ skutkuje osłabieniem jasności rejestrowanych obrazów dyfrakcyjnych. Naukowcy oceniają jednak, że dzięki głębokiemu zrozumieniu natury zjawiska uda się je z powodzeniem wykorzystać. Kluczowe jest tu spostrzeżenie, że różne atomy okazują się w różny sposób reagować na ultrakrótkie impulsy rentgenowskie. Ta dodatkowa wiedza może pomóc w dokładniejszym rekonstruowaniu trójwymiarowych, złożonych struktur atomowych.
Inny obszar potencjalnych zastosowań ma związek z produkcją ultrakrótkich impulsów laserowych. Skoro bowiem materiał, przez który przechodzi laserowy impuls rentgenowski o wielkiej intensywności, odcina znaczną część i tak już ultrakrótkiego impulsu, można go z premedytacją użyć w charakterze "nożyczek" do generowania impulsów efektywnie krótszych od dotychczas wytwarzanych – a to, zdaniem autorów badania, oznaczałoby kolejny przełom w obrazowaniu świata zjawisk kwantowych.(PAP)
Nauka w Polsce
kol/ bar/
Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.
