Jak zrobić naprawdę dokładny laser?

Potrzebna jest próbka gazu i... potężny laser. Taki zestaw umożliwi bardzo precyzyjne badania superszybki procesów fizycznych i reakcji chemicznych. To pozwoli zbudować nowe urządzenia, opracować nowe materiały i lekarstwa - zapowiadają konstruktorzy

Bardzo czułe urządzenie nowego typu zostało opisane w dzisiejszym numerze "Nature".

Nauka przewidziała takie urządzenie już 45 lat temu. Jednak dopiero teraz badaczom z kalifornijskiego akceleratora SLAC na Uniwersytecie Stanforda udało się zbudować laser świecący bardzo jasno promieniami X o określonej częstotliwości, dzięki zepchnięciu elektronu w atomie na niższy poziom energetyczny.

Na takiej zasadzie działa wiele laserów w zakresie światła widzialnego i już w 1967 teoretycy przewidywali, że można w ten sam sposób uzyskać impulsy czystego i „twardego” (wysokoenergetycznego) promieniowania rentgenowskiego.

Jednak dopiero trzy lata temu w stanfordzkim laboratorium uruchomiono LCLS, czyli bardzo szczególne źródło promieniowania X. Potężny, zbudowany na bazie dawnego akceleratora liniowego laser LCLS działa nietypowo - w oparciu o strumień wolnych elektronów. Taka armata na elektrony świeci „twardymi” promieniami X o jasności miliard razy większej, niż promieniowanie uzyskiwane wcześniej w innych laboratoriach za pomocą synchrotronów.

Olbrzymi laser z Menlo Park jest również w stanie emitować femtosekundowe impulsy, dzięki czemu fizycy mogą fotografować rozmaite szybkie procesy dla innych badaczy.

- Im krótsze impulsy, tym szybsze zmiany można zaobserwować. A im czystsze promieniowanie, tym ostrzej możemy zobaczyć szczegóły - wyjaśnia dr Nina Rohringer, autorka pracy.

Tak potężny laser był potrzebny kalifornijskim naukowcom do zbudowania kolejnego lasera RTG. Ten składa się z LCLS oraz „tradycyjnej” próbki gazu szlachetnego (neonu). Elektrony w atomach neonu krążące blisko jądra trafione promieniami LCLS są wyrzucane ze swojej orbity dzięki potężnej energii promieniowania. Wówczas niektóre elektrony z wyższych poziomów energetycznych przeskakują na opuszczone niżej orbity. Towarzyszy temu emisja bardzo czystego i wysokoenergetycznego promieniowania X.

To promieniowanie trafia na kolejne atomy neonu, wywołując całą kaskadę podobnych zjawisk i emitując światło laserowe wzmocnione 200 milionów razy. Zbudowany w ten sposób laser jest źródłem jeszcze krótszych impulsów jeszcze lepszego promieniowania X niż LCLS.

- Promienie rentgenowskie dają nam możliwość spenetrowania świata atomów i molekuł - podkreśla dr Nina Rohringer. - Wyobrażamy sobie badaczy używających laserów nowego typu do różnego rodzaju interesujących rzeczy. Można będzie wypatrzeć najdrobniejsze szczegóły reakcji chemicznych, albo podejrzeć, jak dokładnie działają cząsteczki znane nam z żywych organizmów.

W kolejnych eksperymentach badaczka będzie próbowała uzyskać jeszcze krótsze i czystsze impulsy, używając atomów tlenu, azotu i siarki. Naukowcy są pewni, że ogłoszone odkrycie wywoła w innych ośrodkach duże zapotrzebowanie na tego typu potężny sprzęt "fotograficzny".

Inny zespół w tym samym numerze "Nature" opublikował doniesienie o podgrzaniu materii do 2 milionów st. C za pomocą lasera LCLS. Badania nad tym, jak zachowuje się materia we wnętrzu gwiazd będą bardzo przydatne przy projektach elektrowni termojądrowych - podkreślają autorzy eksperymentu.

Na zdjęciu wnętrze kalifornijskiego lasera z próbką przygotowaną do podgrzania.

 

LCLS Photo courtesy University of Oxford/Sam Vinko

Photo courtesy University of Oxford/Sam Vinko

Więcej o: