نور اشعه ایکس مانند موسیقی گیتار است، با فرکانس هایی که به طور مداوم بین هارمونیک ها می لغزند

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

از پالس های لیزری فوق کوتاه می توان برای تولید اشعه ایکس استفاده کرد. با این حال، به طور معمول، فقط فرکانس های خاص خاصی تولید می شوند. تیمی از TU Wien و دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو روشی را توسعه داده اند که امکان تنظیم مداوم فرکانس را فراهم می کند.

محققان با استفاده از یک موجبر شش متری پر از گاز (طول ۲۰ فوت) حاوی گاز مناسب، می‌توانند فرکانس‌های نور را «جلو» کنند تا در نهایت، دقیقا فرکانس اشعه ایکس مورد نیاز تولید شود. نتایج در مجله Communications Physics منتشر شده است.

برای سال‌های متمادی، محققان از یک ترفند فیزیک اتمی برای تولید پرتوهای ایکس با فرکانس بالا استفاده می‌کردند: اتم‌ها با لیزر تابش می‌شوند، که می‌تواند باعث شود که خودشان یک سری فرکانس کامل تولید کنند - یعنی مضرب‌های صحیح فرکانس اصلی. این ها به عنوان "هارمونیک های بالا" شناخته می شوند.

این یادآور آلات موسیقی است: فرکانس‌های آکوستیک نیز اغلب نه به صورت جداگانه، بلکه در مجموعه‌ای کامل تولید می‌شوند. به عنوان مثال، اگر یک ویولن یک نت را با فرکانس 440 هرتز بنوازد، نت هایی با فرکانس 880 هرتز و همچنان مضرب های بالاتر فرکانس اصلی به طور خودکار تولید می شوند.

در فیزیک لیزر، اغلب از اصطلاح «شانه فرکانس» استفاده می‌شود، زیرا فرکانس‌های حاصل همیشه با فاصله‌ای مشخص مانند دندانه‌های شانه از هم جدا می‌شوند. مزیت این است که یک راه اندازی آزمایشی می تواند طیف وسیعی از فرکانس ها را تولید کند. نقطه ضعف این است که اگر طول موج دقیق مورد نیاز بین دو تا از این «دندان‌های فرکانس» قرار داشته باشد، این راه‌اندازی کاربرد چندانی ندارد. این یک مشکل است، به عنوان مثال، زمانی که تلاش برای تحریک یک تشدید اتمی که به یک فرکانس بسیار خاص نیاز دارد.

تیمی از TU Wien و دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو این مشکل را حل کرده اند. محققان روشی ابداع کردند که اجازه می دهد فرکانس ها به طور مداوم جابجا شوند تا زمانی که کل شکاف بین دو دندان همسایه شانه فرکانس پوشانده شود.

تنیو پوپمینچف، استاد موسسه فوتونیک در TU Wien می‌گوید: «برای دهه‌ها، نور با هارمونیک بالا کمی مانند گیتار با فرت‌های ثابت رفتار می‌کرد. "شما نت های خاصی را دقیقا در فواصل زمانی دیکته شده توسط فیزیک دریافت می کنید. چیزی که ما اکنون ساخته ایم بیشتر شبیه یک گیتار اسلاید در محدوده اشعه ایکس است: می توانیم به طور مداوم بین هارمونیک ها در هر جهت حرکت کنیم و دقیقا انرژی مورد نیاز خود را انتخاب کنیم."

ترفند اصلاح مستقیم اشعه ایکس نیست، بلکه لیزری است که برای تولید آنها استفاده می شود. اگر فرکانس های اشعه ایکس را بتوان به عنوان "تنها" در نظر گرفت - مضرب های صحیح فرکانس لیزر - آنگاه حتی یک تغییر کوچک در فرکانس لیزر محرک، تغییر بسیار بزرگتری در فرکانس های اشعه ایکس حاصل ایجاد می کند. بنابراین یک تغییر نسبتا کوچک در طول موج لیزر می تواند برای پر کردن کل شکاف به هارمونیک بعدی در محدوده اشعه ایکس کافی باشد.

با این حال، از نظر فنی، این چالش برانگیز است. این تیم از لیزر مادون قرمز ایتربیوم استفاده کردند که نور آن از طریق یک موجبر توخالی به طول شش متر (20 فوت) فرستاده می شود و با گاز پر می شود. در داخل موجبر، یک برهمکنش غیرخطی قوی بین نور و گاز، طیف پالس را تغییر می‌دهد.

این نور لیزر مادون قرمز اصلاح شده سپس با کمک یک کریستال به نور مرئی تبدیل می شود و تنها این نور مرئی که مخصوصا تهیه شده است، با طیف رنگی از آبی تا زرد-سبز به سمت اتم های هلیوم هدایت می شود.

در مقایسه با نور مادون قرمز که معمولا برای این منظور استفاده می شود، این نور مرئی دارای مزایای مهمی است: می توان آن را با دقت بسیار کنترل کرد تا با سرعتی متناسب با اشعه ایکس در حال ظهور نوسان کند. تنها در صورتی که این دقت زمان‌بندی حفظ شود (از نظر فیزیکی: زمانی که تطبیق فاز امواج الکترومغناطیسی به دست می‌آید) می‌توان اتم‌های روشن‌شده به طور مشترک یک پرتو پرتو ایکس درخشان‌تر با پهنای خط باریک‌تر تولید کنند، نه امواج اشعه ایکس ناهماهنگ که تا حدی یکدیگر را خنثی می‌کنند.

به عنوان یک امتیاز، هر اتم هارمونیک‌های شدیدتری تولید می‌کند: با حرکت نور مرئی، الکترون‌های آن شتاب می‌گیرند و در بازه زمانی کوتاه‌تری نسبت به پالس‌های مادون قرمز دوباره ترکیب می‌شوند - به اندازه‌ای سریع که انتشار کوانتومی بسته موج الکترونی زمان کمتری برای کاهش بازده داشته باشد.

دکتر Dimitar Popmintchev از مؤسسه فوتونیک در TU Wien، نویسنده اول این مطالعه می‌گوید: «گسترش طیفی، مانند نوعی که در موجبر پر از گاز تولید می‌کنیم، معمولا به معنای از دست دادن کنترل پالس است. ما متوجه شدیم که دقیقا از همان غیرخطی بودن نیز می توان برای هدایت پالس به روشی کنترل شده استفاده کرد.

بسته به گاز مورد استفاده، طیف را می توان در جهات مختلف جابجا کرد. گازهای اتمی آن را به سمت فرکانس های بالاتر و پایین تر گسترش می دهند.

دکتر پائولو کارپگیانی از TU Wien توضیح می‌دهد: «گازهای مولکولی می‌توانند از طریق تبادل انرژی با درجات آزادی درونی خود، جابه‌جایی قوی‌تری به سمت طول‌موج‌های طولانی‌تر ایجاد کنند. بنابراین می‌توان از نوع گاز و فشار برای کنترل جهت و بزرگی تغییر فرکانس استفاده کرد. مهمتر از همه، انتشار پرتو ایکس در کل محدوده تنظیم روشن باقی می ماند در حالی که خطوط طیفی باریک حفظ می شوند.

روش جدید به ویژه برای آزمایش‌هایی که در آن فرکانس نور باید دقیقا با یک تشدید خاص تنظیم شود، جالب است. این برای حوزه های تحقیقاتی مانند طیف سنجی دقیق، ساعت های هسته ای و مترولوژی نیمه هادی بسیار مهم است.

پاپمینچف می گوید: «طبیعت رزونانس های خود را در جایی قرار نمی دهد که هارمونیک های ما سقوط می کنند. "اگر ما بتوانیم به‌جای پرش به جلو و عقب بین فرکانس‌های ثابت، به‌طور پیوسته در سراسر یک محدوده انرژی اسکن کنیم، بسیاری از آزمایش‌ها در وهله اول با استفاده از دستگاه‌هایی در مقیاس آزمایشگاهی عملا امکان‌پذیر می‌شوند - بسیار کوچکتر از کارخانه‌های فوتون در مقیاس بزرگ مانند سینکروترون‌ها و لیزرهای الکترون آزاد."

چشم انداز این است که منبع نوری را ایجاد کنیم که بتوان آن را تا حد امکان انعطاف پذیر ساخت: به جای تطبیق آزمایش با هر ویژگی تابش که اتفاقا در دسترس است، خود تابش را می توان با آزمایش تطبیق داد.

Dimitar Popmintchev و همکاران، هارمونیک های روشن EUV-نرم اشعه ایکس با باند باریک و قابل تنظیم با طول موج برای تصویربرداری رزونانس و طیف سنجی، فیزیک ارتباطات (2026). DOI: 10.1038/s42005-026-02791-5

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →