دانشمندان قدرت رکوردشکنی اشعه ایکس را در نقطه ای بسیار کوچک فشرده می کنند

دانشمندان با تولید فلاش های پرتو ایکس فوق العاده شدید که تنها 300 آتوثانیه طول می کشد، به رکورد جهانی جدیدی دست یافته اند، دوره زمانی تقریبا غیرقابل تصوری کوتاه. این تیم با استفاده از XFEL اروپایی، یک مرکز تحقیقاتی پرتو ایکس قدرتمند، فلاش ها را در ناحیه ای تقریبا 100000 برابر کوچکتر از سطح مقطع یک موی معمولی انسان متمرکز کردند.

با فشرده کردن انرژی پرتو ایکس در چنین فضای کوچکی، محققان یک پرتو فوق‌العاده قدرتمند ایجاد کردند که می‌تواند فرصت‌های جدیدی را برای مطالعه رفتار الکترون‌ها در داخل اتم‌ها و مولکول‌ها باز کند. این پیشرفت می تواند در نهایت به دانشمندان کمک کند تا حرکات سریع الکترون ها را در طی واکنش های شیمیایی مشاهده کنند و به طور بالقوه حتی کنترل آنها را یاد بگیرند.

این آزمایش در آوریل 2026 انجام شد و اکنون یافته ها در مجله علمی Optica منتشر شده است.

فلاش های اشعه ایکس رکوردشکنی فقط 300 آتوثانیه طول می کشد

ایچیرو اینوئه از دانشگاه توکیو، نویسنده اول این نشریه، می گوید: «این یک رکورد جهانی از نظر شدت و نفوذ برای یک پالس آتوثانیه ای پرتو ایکس سخت است.

اشعه ایکس سخت نوعی نور با طول موج بسیار کوتاه است. دانشمندان از دو اندازه گیری برای توصیف قدرت خارق العاده آنها استفاده می کنند. فلوئنس به مقدار انرژی تحویل داده شده به یک منطقه خاص اشاره دارد، در حالی که شدت به سرعت تحویل آن انرژی نیز توجه می کند.

در این آزمایش، هر پالس اشعه ایکس 300 آتوثانیه تخمین زده شد (یک آتوثانیه یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه است). چنین فلاش‌های فوق‌العاده کوتاه راهی برای بررسی رویدادهایی که برای رصد معمولی خیلی سریع رخ می‌دهند، به محققان ارائه می‌دهد.

برای متمرکز کردن اشعه ایکس، تیم از یک آرایش نوری تخصصی به نام سیستم پیشرفته Kirkpatrick-Baez یا AKB استفاده کردند. این شامل دو آینه فوق العاده دقیق است که پرتو را در جهات مختلف متمرکز می کند. هر پالس در مجموع چهار انعکاس داشت که یکی از آینه ها اشعه ایکس را به صورت عمودی و دیگری به صورت افقی متمرکز می کرد.

نتیجه یک نقطه کانونی حیرت‌انگیز کوچک با ابعاد 180 × 330 نانومتر بود (یک نانومتر یک میلیاردیم متر است). با هدایت انرژی به این ناحیه میکروسکوپی، محققان توانستند به شدت رکوردشکنی دست یابند.

Jiawei Yan، دانشمند DESY، یکی از نویسندگان مربوطه این مطالعه می‌گوید: «چند سال پیش، پالس‌های آتوثانیه‌ای پرتو ایکس سخت در مقیاس تراوات را در XFEL اروپا نشان دادیم. اما تولید پالس‌های قدرتمند تنها اولین قدم است. برای آزمایش‌ها، آنچه واقعا مهم است این است که چه چیزی را می‌توانیم به نمونه تحویل دهیم. با این پیشرفت، اکنون می‌توانیم از پرتوهای ایکس آتوثانیه برای بررسی برهم‌کنش‌های بسیار غیرخطی بین پرتوهای ایکس و ماده استفاده کنیم.»

این فعل و انفعالات غیرخطی زمانی اتفاق می‌افتند که پرتوهای X بسیار شدید باعث واکنش ماده به روش‌هایی می‌شوند که معمولا در نور ضعیف‌تر اتفاق نمی‌افتند. مطالعه چنین اثراتی می‌تواند جزئیات جدیدی در مورد نحوه رفتار اتم‌ها و الکترون‌ها در شرایط شدید نشان دهد.

یک واکنش فوق العاده در داخل اتم های مس

برای تأیید شدت استثنایی پالس های اشعه ایکس، محققان آنها را به سمت یک ورقه نازک مس هدایت کردند. این آزمایش شواهد مستقلی را ارائه کرد که نشان می‌دهد فلاش‌های متمرکز به شدت بیش از 102⁰ وات بر سانتی‌متر مربع رسیده‌اند.

هنگامی که اشعه ایکس به مس برخورد کرد، الکترون‌ها را از درونی‌ترین لایه‌های الکترونی اتم‌ها بیرون زد و موقعیت‌های خالی به نام «حفره» را پشت سر گذاشت. سپس الکترون‌های بخش‌های دیگر اتم‌ها وارد این فضاهای خالی شدند و انرژی را به شکل نور پرتو ایکس آزاد کردند.

در شرایط عادی، این نور ساطع شده در جهات مختلف حرکت می کند. با این حال، هنگامی که اشعه ایکس دریافتی به اندازه کافی شدید می شود، اتفاق قابل توجهی رخ می دهد. نور ساطع شده می‌تواند سایر اتم‌های مس برانگیخته را تحریک کند تا پرتوهای X اضافی را که در همان جهت حرکت می‌کنند، آزاد کنند و یک پرتو تقویت‌شده تولید کند.

دانشمندان این پدیده را انتشار خود به خودی تقویت شده یا ASE می نامند.

آندرس مدسن، رهبر گروه در ساز MID، جایی که مطالعه انجام شد، می‌گوید: «تقریبا دیدن این اتفاق جادویی است. "فلورسانس معمولی بدون توجه به جهت پرتو ورودی در همه جهات می رود. اما وقتی از آستانه ASE عبور کرد، می بینید که مخروط نور شروع به متراکم شدن به سمت جلو می کند."

تیم همچنین نشانه مهم دیگری از شدت شدید را مشاهده کرد. همانطور که آنها انرژی پالس های اشعه ایکس را افزایش دادند، سیگنال تقویت شده در ابتدا بسیار قوی تر شد. با این حال، در انرژی‌های بالاتر، افزایش کاهش یافت و در نهایت کاهش یافت، رفتاری که به عنوان اشباع شناخته می‌شود.

این الگو تنها تحت نور شدید پرتو ایکس مورد انتظار است. ظاهر آن تائیدی اضافی از شدت رکورد محاسبه شده از انرژی پالس، مدت و اندازه پرتو متمرکز را ارائه می دهد.

راهی جدید برای کاوش در دنیای پنهان الکترون ها

فراتر از ثبت یک رکورد جهانی، این پیشرفت می تواند به طور قابل توجهی توانایی دانشمندان را برای بررسی برخی از سریع ترین فرآیندهای طبیعت افزایش دهد.

الکترون‌ها در تعیین چگونگی پیوند اتم‌ها، نحوه برهمکنش مولکول‌ها و چگونگی آشکار شدن واکنش‌های شیمیایی نقش اساسی دارند. حرکات آنها در بازه های زمانی فوق العاده کوتاه اتفاق می افتد و مشاهده مستقیم آنها را دشوار می کند.

محققان امیدوارند با ترکیب فلاش های پرتو ایکس فوق کوتاه با شدت بسیار بالا، اطلاعاتی در مورد الکترون ها به دست آورند، قبل از اینکه تابش ورودی زمان برای تغییر اساسی مواد مورد مطالعه داشته باشد. این می‌تواند تصویر واضح‌تری از رفتار الکترون‌ها در داخل اتم‌ها و مولکول‌ها ارائه دهد و در درازمدت، به‌طور بالقوه به روش‌هایی برای تأثیرگذاری بر حرکت الکترون در طول واکنش‌های شیمیایی منجر شود.

سیستم آینه ای پیشرفته Kirkpatrick-Baez مورد استفاده برای آزمایش ثبت رکورد از ژاپن منتقل شد. XFEL اروپایی اکنون در حال آماده شدن برای دریافت سیستم AKB خود است و انتظار می رود در اوایل سال 2027 تحویل شود.

تجهیزات جدید از طریق همکاری با دانشگاه هامبورگ و با حمایت اضافی از سوی وزارت فدرال تحقیقات، فناوری و فضا (BMFTR) تامین می شود.

پس از نصب و راه اندازی سیستم، انتظار می رود دانشمندان از سراسر جهان با استفاده از ابزار MID به این فلاش های فوق العاده کوتاه و شدید اشعه ایکس دسترسی پیدا کنند. قابلیت‌های ارتقا یافته می‌تواند به محققان اجازه دهد تا رفتار الکترون را در سطحی از جزئیات بررسی کنند که قبلا دستیابی به آن دشوار بود و آنها را به درک و کنترل بالقوه فرآیندهای اساسی در پشت واکنش‌های شیمیایی نزدیک‌تر می‌کند.

مواد ارائه شده توسط XFEL اروپایی. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

دانشمندان چیزی غیرمنتظره را در 90 کیلومتری زیر زمین کشف کردند

دانشمندان می گویند شکل سالم تر نمک می تواند از مرگ 3 میلیون نفر در سال جلوگیری کند.

دانشمندان در اعماق دریا فیلم فوق‌العاده 4K از یک ماهی با سر شفاف ضبط کردند

یک ماده پنهان در آب آشامیدنی ممکن است با مشکلات قلبی در کودکان مرتبط باشد