پالسهای سریع پرتو ایکس امکان افزایش صد برابر کارایی در فوتوایونیزاسیون را فراهم میکنند
نوشته برنارد اِبلینگ، European XFEL
سرعت اهمیت دارد. وقتی یک فوتون پرتو ایکس اتم یا یون را برانگیخته و الکترون هستهایاش را به سطح انرژی بالاتری میبرد، یک پنجره فرصت کوتاهمدت باز میشود. تنها در چند فمتوثانیه، پیش از اینکه الکترون خلأ سطح انرژی پایینتری را پر کند، فوتون دوم میتواند توسط الکترون هستهای دیگری جذب شود و حالت دو بارانگیزی ایجاد کند.
با بهکارگیری ۵٬۰۰۰ پالس پرتو ایکس پرشدت در هر ثانیه که توسط European XFEL تولید میشد، یک تیم بینالمللی از دانشمندان حالتهای دو حفره هستهای در کریپتون بسیار یونیزهشده را با فوتونهایی که تقریباً همانرژی (همرنگ) بودند، بررسی کردند.
برای آزمایشهایشان، دانشمندان European XFEL و مؤسسه ماکس پلانک فیزیک هستهای (MPIK) در هایدلبرگ، بههمراه شش مؤسسه دیگر در آلمان، ایتالیا، پرتغال و ایالات متحده، از کریپتون با بار بسیار زیاد، Kr26+، که تنها ده الکترون داشت، استفاده کردند.
“این به ما امکان داد تا تصویر واضحی از فرایند بهدست آوریم و مشارکت ناخواسته الکترونهای دیگر را حذف کنیم”، میگوید توماس بومن، رهبر عملیات در ابزار علمی SQS، جایی که این کار انجام شد. استفاده از این یونهای کریپتون مزیت داشت، زیرا برای هر دو مرحله در برانگیختگی تشدیدی دو الکترون هستهای، انرژی فوتون مورد نیاز تقریباً یکسان است. بنابراین میتوان از پرتوی تکرنگی پرتو ایکس با پهنای باند تنها ۰٫۵٪ استفاده کرد.
“این همپوشانی در انرژی رزونانس از اثرات نسبیتی ناشی میشود”، توضیح میدهد موتو توگاوا، نویسنده اول مقاله منتشر شده در Physical Review Letters. “این اثرات باعث جابجایی سطوح انرژی الکترونهای هستهای میشود که امکان داشتن دو رزونانس کامل را میدهد.”
چند فمتوثانیه پس از آن، حالت دو بارانگیز با انتشار الکترون تجزیه میشود و یک حالت شارژ بالاتر تولید میگردد. در مقایسه با فوتوایونیزاسیون ساده، مسیر دو رزونانس باعث بیش از ۱۰۰ برابر افزایش جذب فوتونها میشود و کارایی را بهطور چشمگیری ارتقاء میدهد.
به گفته خوزه کرسپو-لوپِس‑اورتویا، سرگروه در MPIK، “این اثر نه تنها درک ما از چگونگی تعامل نور و ماده در شرایط افراطی را عمیقتر میکند، بلکه امکانات جدیدی برای اندازهگیریهای پرتو ایکس با دقت بالا فراهم میسازد.”
دانشمندان بر این باورند که نتایج آنها میتواند بهعنوان یک روش برانگیختگی کارآمد برای آزمایشهای زمانبندیشده آینده، با استفاده از حالت دورنگی انودیلاتور SASE3 در European XFEL، به کار رود. افزون بر این، میتوان گسترش این نتایج را به آزمایشهای با پرتوهای ایکس سخت که از XFELOها (Oscillators لیزر آزاد الکترونی پرتو ایکس) توسعه یافته در European XFEL استفاده میکنند، تصور کرد.