Powstał pierwszy atomowy laser promieniowania X

Już w 1967 roku zakładano, że promień lasera rentgenowskiego może być indukowany w taki sam sposób, jak światło widzialne laserów innego typu. W ich przypadku emisja światła następuje w wyniku przejścia elektronów z wyższych na niższe poziomy energetyczne. W zależności od wykorzystanych atomów (różnych gazów szlachetnych), urządzenia emitują światło o różnej długości fali, a tym samym - barwie. Aż do 2009 roku, kiedy po raz pierwszy uruchomiono Linac Coherent Light Source (LCLS), żadne inne źródło promieniowania rentgenowskiego nie było wystarczająco silne, aby przeprowadzić opisaną reakcję i otrzymać czysty impuls lasera promieniowania X.

W celu stworzenia atomowego lasera posłużono się innym, niezwykle potężnym źródłem światła wykorzystującym promieniowanie X - LCLS. Produkuje on impulsy miliard razy jaśniejsze od wszystkich znanych do tej pory. To właśnie one wybijają elektrony z wewnętrznych powłok atomów neonu. Kiedy inne elektrony z zewnętrznych orbitali zapełniają powstałe "dziury" w orbitalach wewnętrznych, jeden na 50 emituje foton w zakresie promieniowania X. On stymuluje elektrony w sąsiednich atomach neonu, wywołując reakcję łańcuchową. Wzmacnia ona powstające światło lasera blisko 200 mln razy.

Oba lasery emitują niezwykle jasne i czyste światło, ale na różne sposoby. To promieniowanie X jest jednak jaśniejsze i czystsze od LCLS. Umożliwią one oświetlanie i badanie dynamicznych reakcji, które były do tej pory poza zasięgiem naukowców. Można je ponadto zsynchronizować w jedno mocne uderzenie, gdzie pierwszy laser wywoła reakcje w badanej próbce, a drugi zeskanuje zmiany zachodzące w czasie kilku kwadrylionowych części sekundy.

Opisane zjawisko doskonale ilustruje poniższa artystyczna wizja. Potężny laser wysyłany przez LCLS to zielona smuga wychodząca z lewego, dolnego rogu grafiki, która uderza w atom neonu (środek). Pobudza on elektron znajdujący się na wewnętrznej powłoce najbliżej jądra atomu (brązowe centrum) i wybija go ("kulka" w lewym, górnym rogu). Elektron z zewnętrznego orbitalu zejdzie na dolny poziom w celu wypełnienia powstałej luki ("kulka" z pomarańczową poświatą w centrum), emitując tym samym krótką falę o bardzo wysokiej energii (pomarańczowa smuga wychodząca z centrum w kierunku prawego, górnego roku grafiki).

- Promieniowanie X daje nam przenikliwe spojrzenie na świat atomów i cząsteczek - powiedziała Nina Rohringer, fizyk prowadzący badania. - Wykorzystanie nowego typu lasera umożliwi obserwację niezwykle ciekawych rzeczy, takich jak szczegóły reakcji chemicznych lub cząsteczki biologiczne podczas pracy - dodała. - Im krótsze impulsy, tym szybciej możemy uchwycić zmiany. A im czystsze światło, tym więcej szczegółów jesteśmy w stanie dostrzec.

Nina Rohringer obiecuje, że zespół nie spocznie na laurach. W kolejnych eksperymentach będzie starał się uzyskać jeszcze krótsze impulsy, niosące jeszcze większą energię. Zostaną do tego wykorzystane atomy tlenu, azotu lub siarki.