Forskere har klart å konsentrere ekstremt korte røntgenblink i et punkt som er omtrent 100 000 ganger mindre enn tverrsnittet til et vanlig menneskehår. Resultatet kan gjøre det mulig å studere hvordan elektroner reagerer når de utsettes for svært intenst lys.

Eksperimentet ble gjennomført ved European X-ray Free-Electron Laser (European XFEL) i april 2026. Forskerne oppnådde en toppintensitet på mer enn 1020 watt per kvadratcentimeter for harde røntgenpulser med en estimert varighet på 300 attosekunder.

En attosekund er en milliarddel av en milliarddel av et sekund. Så korte lysglimt er nødvendige når forskere skal undersøke noen av de raskeste prosessene som involverer elektroner i atomer og molekyler.

Fokusert med fire speilrefleksjoner

Røntgenpulsene ble sendt gjennom et avansert Kirkpatrick–Baez-system, kjent som et AKB-system. Det består av to presisjonsspeil som fokuserer strålen i hver sin retning.

Hvert lysglimt ble reflektert fire ganger totalt. Det ene speilet fokuserte røntgenstrålene vertikalt, mens det andre fokuserte dem horisontalt. Til slutt ble strålen samlet i et område på bare 180 × 330 nanometer.

«Dette er verdensrekord i intensitet og fluens for en attosekundpuls med harde røntgenstråler», sier Ichiro Inoue, hovedforsker og forsker ved Universitetet i Tokyo.

Fluens beskriver energimengden som treffer et bestemt areal. For forskerne er det ikke nok å lage en kraftig puls. Energien må også leveres til prøven i en tilstrekkelig konsentrert form for å utløse de ønskede effektene.

Testet på kobberfolie

Teamet kontrollerte intensiteten uavhengig ved å rette røntgenpulsene mot en kobberfolie og undersøke lyset som ble sendt ut fra kobberatomene.

De innkommende røntgenstrålene slo elektroner ut av de innerste elektronskallene i atomene. Det etterlot tomme plasser, eller hull. Elektroner fra ytre skall falt deretter inn i hullene og frigjorde energi i form av røntgenstråler.

Ved tilstrekkelig intens belysning kan denne emisjonen stimulere andre eksiterte kobberatomer til å sende ut røntgenstråler i samme retning. Resultatet blir et sterkere og mer konsentrert signal. Prosessen kalles «amplified spontaneous emission» (ASE), og er knyttet til utslippsprosessene som gjør røntgenlasere mulig.

«Det er nesten magisk å se dette skje. Vanlig fluorescens går i alle retninger, uavhengig av retningen på den innkommende strålen. Men når ASE-terskelen passeres, ser man lyskjeglen begynne å samle seg i fremoverretningen», sier Anders Madsen.

Madsen var ikke direkte involvert i studien, men er prosjektleder ved anlegget der eksperimentet ble gjennomført.

ASE-signalet økte først raskt da forskerne økte energien i pulsene. Ved høyere energier begynte signalet imidlertid å flate ut, en oppførsel som kalles metning.

Responsen stemte med de svært høye intensitetene som var beregnet ut fra pulsenes energi, varighet og størrelsen på det fokuserte området. Dermed fikk forskerne en uavhengig kontroll av beregningene.

Kan undersøke elektroner i kjemiske reaksjoner

Resultatet bygger videre på tidligere arbeid ved European XFEL, der forskere demonstrerte harde røntgenpulser med attosekundvarighet og effekt på terawattnivå.

«For noen år siden demonstrerte vi harde røntgenpulser med attosekundvarighet og effekt på terawattnivå ved European XFEL. Men å lage kraftige pulser er bare det første steget. I eksperimenter er det avgjørende hva vi faktisk kan levere til prøven. Med dette fremskrittet kan vi nå bruke attosekundrøntgen til å utforske sterkt ikke-lineære vekselvirkninger mellom røntgenstråler og materie», sier Jiawei Yan, som deltok i forskningen.

Teknologien kan hjelpe forskere med å studere hvordan elektroner oppfører seg i atomer og molekyler, og hvordan materie reagerer på intens røntgenbelysning. På lengre sikt kan slike studier bidra til forsøk på å kontrollere elektroner under kjemiske reaksjoner.

Forskerne understreker samtidig at eksperimentet viste at de intense røntgenpulsene kunne produseres og verifiseres. Det viste ikke direkte kontroll av elektroner under en kjemisk reaksjon.

Europeisk system ventes i 2027

I forsøket brukte forskerne et AKB-speilsystem som var tatt med fra Japan. European XFEL forventer å motta sitt eget system tidlig i 2027.

Når systemet er installert og testet, er planen at de korte og intense røntgenblinkene skal bli tilgjengelige for forskere fra hele verden gjennom anleggets MID-instrument.

Studien er publisert i tidsskriftet Optica.