SLAC 100-అటోసెకండ్ హార్డ్ X-రే పల్స్‌ల రికార్డును నమోదు చేసింది

అత్యంత వేగవంతమైన X-రే విజ్ఞానానికి కొత్త ప్రమాణం

అమెరికా ఇంధన శాఖకు చెందిన SLAC National Accelerator Laboratoryలో ఉన్న Linac Coherent Light Source (LCLS) పరిశోధకులు, X-రే free-electron laserలో ఇప్పటివరకు నమోదు చేసిన అత్యంత తక్కువ వ్యవధి గల అధిక-శక్తి X-రే పల్స్‌లను కొలిచారు. నివేదించిన పల్స్‌ల ఫోటాన్ శక్తి సుమారు 9 కిలోఎలక్ట్రాన్‌వోల్ట్‌లు కాగా, వాటి వ్యవధి 100 నుంచి 400 అటోసెకండ్ల వరకు ఉంది.

ఒక అటోసెకండ్ అంటే ఒక సెకనులోని బిలియన్‌లో బిలియన్ వంతు. ఈ కాలవ్యవధిలో ఎలక్ట్రాన్ల కదలికతో సహా పదార్థంలో జరిగే అత్యంత వేగవంతమైన ప్రక్రియలను పరిశోధకులు అధ్యయనం చేయాలని లక్ష్యంగా పెట్టుకున్నారు. ఈ ఫలితాలు Nature Photonicsలో ప్రచురితమయ్యాయి.

ఈ ఫలితం పల్స్ వ్యవధి కారణంగానే కాకుండా, బృందం దానిని కొలవగలిగినందుకు కూడా ముఖ్యమైనది. SLAC పరిశోధకుడు, అధ్యయన రచయిత Agostino Marinelli ప్రకారం, అధిక-శక్తి అటోసెకండ్ X-రే పల్స్‌లను ఉత్పత్తి చేయడం అనేక సంవత్సరాల్లో నేర్చుకున్నారు; పల్స్‌లు కేవలం కొన్ని వందల అటోసెకండ్లపాటు మాత్రమే ఉన్నాయని చూపించడం మరింత కష్టమైన పని.

హార్డ్ X-కిరణాలు వేగం, చొచ్చుకుపోయే సామర్థ్యాన్ని కలుపుతాయి

ఈ ప్రయోగం హార్డ్ లేదా అధిక-శక్తి X-కిరణాలపై దృష్టి పెట్టింది. సుమారు 9-keV పల్స్‌లు పరమాణు వ్యవస్థల్లోకి లోతుగా పరిశీలించగలిగేంత శక్తివంతమైనవి; అదే సమయంలో అత్యంత వేగవంతమైన కాలవ్యవధుల్లో ఎలక్ట్రాన్ల కదలికను నమోదు చేయగలిగేంత తక్కువ వ్యవధి గలవి. ఈ కలయిక పదార్థాన్ని దాని అత్యంత చిన్న, వేగవంతమైన స్థాయిల్లో పరిశీలించే ప్రయోగాలకు వాటిని ఉపయోగకరంగా చేస్తుంది.

X-రే free-electron laserకు ఉపయోగకరమైన శాస్త్రీయ సామర్థ్యాన్ని స్థాపించేందుకు తక్కువ వ్యవధి గల పల్స్‌లు మాత్రమే సరిపోవు. పల్స్ యొక్క శక్తి, స్పెక్ట్రమ్, ఆకారం, వ్యవధిని నిర్ధారించే మార్గం పరిశోధకులకు అవసరం. అలాంటి diagnostic లేకుండా, ఖచ్చితమైన సమయ నియంత్రణపై ఆధారపడే ప్రయోగాలకు అవసరమైన నమ్మకంతో అత్యల్ప వ్యవధి గల పల్స్‌ను నిర్ధారించలేరు.

పల్స్ diagnosticగా fluorescenceను ఉపయోగించడం

అధ్యయన ప్రధాన రచయిత, University of Tokyoకి చెందిన Ichiro Inoue, amplified spontaneous emission లేదా ASEపై ఆధారపడిన పరోక్ష కొలత విధానాన్ని ప్రతిపాదించారు. అత్యంత కేంద్రీకృతమైన X-రే పల్స్ ఒక పదార్థాన్ని ఉత్తేజపరిచి, అది ముందువైపు దిశలో fluorescence విడుదల చేసేలా చేసినప్పుడు ASE ఏర్పడుతుంది. అసలు X-రే పల్స్‌కు సంబంధించిన సమాచారం ఆ విడుదలైన fluorescenceలో నిక్షిప్తమై ఉంటుంది.

LCLS ప్రయోగంలో అటోసెకండ్ X-కిరణాలు కలిగి ఉన్నట్లు భావించిన beamను బృందం రూపొందించింది. beamలోని కొంత భాగాన్ని దాని శక్తి, స్పెక్ట్రల్ ఆకారాన్ని కొలిచే detectorకు పంపారు. మిగిలిన beamను copper foilపై కేవలం 150 నానోమీటర్ల వెడల్పు గల బిందువుపై కేంద్రీకరించారు. ఆ పరస్పర చర్య ASEను ఉత్పత్తి చేసింది; దాన్ని రెండో detector నమోదు చేసింది.

అసలు beam కొలతలతో పాటు fluorescence signalను ఉపయోగించి, పల్స్ వ్యవధితో సహా X-రే పల్స్ లక్షణాలను పరిశోధకులు అంచనా వేయగలిగారు. ఈ diagnostic హార్డ్ X-రే పల్స్‌లు 100 నుంచి 400 అటోసెకండ్ల పరిధిలో ఉన్నాయని ఆధారాన్ని అందించింది.

కొలత ఎందుకు ముఖ్యం

అత్యల్ప వ్యవధి గల పల్స్‌లపై పరిశోధన, అధ్యయనం చేస్తున్న సంఘటనకు సమయ సాధనాన్ని సరిపోల్చడంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఎక్కువ కాలవ్యవధుల్లో కనిపించే రసాయన మార్పుల కంటే ఎలక్ట్రాన్ల కదలిక చాలా వేగంగా సాగవచ్చు. కొన్ని వందల అటోసెకండ్లపాటు ఉండే పల్స్, సూత్రప్రాయంగా, ఎక్కువ వ్యవధి గల X-రే flashes కంటే మరింత స్పష్టమైన temporal windowను అందించగలదు.

కాబట్టి కొత్తగా ప్రదర్శించిన diagnostic, హార్డ్ అటోసెకండ్ X-కిరణాల ఉత్పత్తికి ముఖ్యమైన ఆచరణాత్మక సామర్థ్యాన్ని జోడిస్తుంది. పల్స్ వ్యవధిపై ఒక అంచనాను ఆధారంగా చేసుకోవడం బదులు, అత్యంత వేగవంతమైన ప్రయోగానికి అవసరమైన లక్షణాలు beamలో ఉన్నాయా అని పరిశోధకులు అంచనా వేయగలరు.

శాస్త్రీయ పరికరాలను అభివృద్ధి చేయడంలో ప్రయోగాత్మక పద్ధతుల పాత్రను కూడా ఈ పని చూపిస్తుంది. నివేదించిన రికార్డు beam generation, నానోమీటర్-స్థాయి focusing, copper target, రెండు పరస్పరపూరక కొలతల కలయికతో సాధ్యమైంది. అత్యంత వేగవంతమైన beamను కొలిచిన ఫలితంగా మార్చేందుకు ప్రతి అంశం అవసరమైంది.

తర్వాత ఏమిటి

అత్యంత చిన్న, వేగవంతమైన స్థాయిల్లో జరిగే పనికి ఈ పల్స్‌లు విలువైనవని మూల కథనం వివరిస్తుంది. అధిక-శక్తి X-కిరణాలు పరమాణు వ్యవస్థలను పరిశీలించగల, అటోసెకండ్ timing వేగవంతమైన ఎలక్ట్రానిక్ ప్రవర్తనను గుర్తించగల అధ్యయనాల దిశగా ఈ దృక్కోణం సూచిస్తుంది. కొత్త పల్స్‌లతో గమనించిన నిర్దిష్ట పదార్థం లేదా ప్రక్రియను ఈ ఫలితం వివరించదు; ఇది పల్స్ సామర్థ్యాన్ని స్థాపించి ధృవీకరిస్తుంది.

LCLSకు, అలాగే విస్తృత X-రే free-electron-laser రంగానికి, ఈ పురోగతి కొత్త కొలత ప్రమాణం: సుమారు 9 keV ఫోటాన్ శక్తి, 100 అటోసెకండ్ల వరకు తగ్గే వ్యవధి గల హార్డ్ X-రే పల్స్‌లు, ASE ఆధారిత diagnostic ద్వారా ధృవీకరించబడ్డాయి. హార్డ్ X-కిరణాల చొచ్చుకుపోయే సామర్థ్యం, అటోసెకండ్ విజ్ఞానంలోని temporal resolution రెండూ అవసరమైనప్పుడు భవిష్యత్తు ప్రయోగాలు ఈ పునాదిపై ఆధారపడవచ్చు.

ముఖ్యాంశాలు

• LCLS 100 నుంచి 400 అటోసెకండ్ల వరకు ఉండే హార్డ్ X-రే పల్స్‌లను కొలిచింది.
• పల్స్‌ల ఫోటాన్ శక్తి సుమారు 9 keV.
• బృందం copper foil నుంచి వచ్చిన amplified spontaneous emissionను పరోక్ష diagnosticగా ఉపయోగించింది.
• ఈ అధ్యయనం Nature Photonicsలో ప్రచురితమైంది.

ఈ కథనం Phys.org నివేదిక ఆధారంగా రూపొందించబడింది. మూల కథనాన్ని చదవండి.