物理学家缩小X射线激光器发出的脉冲的光谱

升级X射线激光器 - 机械技巧可用于缩小X射线激光器诸如此处示出的Xfel自由电子激光器的脉冲的频谱。这将使X射线激光器能够用于实验，否则是不可能的，例如测试物理常数是否真正恒定。斯尼，汉堡

使用机械诀窍，来自海德堡最大普朗克核物理研究所的科学家已经找到了一种方法来缩小X射线激光器发出的脉冲的光谱。

X射线使看不见的可见光：它们允许将材料的构造方式一直确定为纯化原子的水平。在20世纪50年代，X射线显示了DNA的双螺旋结构。通过新的X射线源，例如汉堡的Xfel自由电子激光器，甚至可以“薄膜”化学反应。使用这些新的X射线源的研究获得的结果可能是即将变得更加精确。来自Heidelberg的Max Planck核物理研究所的Kilian Heeg中的一支球队现在已经找到了一种方法来使这些来源发出的X射线脉冲的光谱甚至更窄。与标准激光器形成对比，标准激光器产生单个颜色和波长的光，X射线源通常产生具有广谱不同波长的脉冲。更清晰的脉冲很快就可以驱动以前不可行的应用程序。这包括测试物理常数和测量的长度和时间更精确地比现在可以实现。

研究人员使用光线和其他电磁辐射，用于在电子，汽车，飞机或发电厂的工作中开发新材料，以及研究蛋白质功能等生物分子的研究。电磁辐射也是观察微型和纳米范围中的化学反应和物理过程的首选工具。不同类型的光谱学用途使用不同的缺点波长来刺激结构的特定部件中的特征振荡。哪个波长与结构相互作用 - 物理学家使用术语共鸣 - 告诉我们他们的构成以及它们的构建方式;例如，分子内的原子是在空间中排列的原子。

与具有更低的能量的可见光相反，X射线可以触发不仅在原子的电子壳中的共振，而且在原子核心，其核中也深入。因此，X射线光谱提供了关于材料的独特知识。此外，原则上，一些原子核的共振是非常尖锐的，允许极其精确的测量。

具有广谱的X射线源产生超短闪光灯

现代X射线源，如汉堡和Petra III（汉堡）和ESRF（Grengoble）同步rotron来源的Xfel Free Electron激光器是用于执行此类研究的主要候选者。特别是自由的激光器优化用于产生非常短的X射线闪光，主要用于研究原子和分子的微观世界中的非常快速的过程。然而，超短光脉冲反过来具有广泛的波长。因此，只有小部分的光位于右波长，以在样品中引起共振。其余的通过样品通过样品，使尖锐共振的光谱值相当效率低。

可以产生一个非常尖锐的X射线光谱 - 即单个波长的X射线 - 使用过滤器;然而，由于这涉及去除未使用的波长，因此得到的谐振信号仍然弱。

由海德堡研究人员开发的新方法可在共振信号的强度增加三到四倍。与科学家们一起在汉堡和Esrf在Grengoble，Kilian Heeg和JörgEvers的Christoph Keitel师和Heidelberg的Max Planck核物理研究所周围的托马斯·菲菲尔队的团队成功地制作了一些X射线辐射通常与样品不相互作用有助于谐振信号。他们在格勒诺尔的ESRF和贝基的Petra III同步在汉堡的ESRF上成功地测试了它们的方法。

一个微小的颠簸放大辐射

研究人员对扩增X射线的方法是基于这样的事实：当X射线与铁核（或任何其他核）相互作用以产生共振时，它们在短时间内重新发射。然后，这些重新发射的X射线略微延迟，其辐射的一部分背面的一部分是直接通过的。这意味着一个波的峰与另一波的槽完全一致，结果它们相互抵消。这种破坏性干扰衰减了谐振波长的X射线脉冲，这也是光吸收的基本起源。

“我们在铁核核重新发出X射线之前利用大约100纳秒的时间窗口，”项目领导者JörgEvers解释道。在此时间窗口中，研究人员将铁箔移动到毫米的约40亿分钟（0.4埃）。这种微小的摇摆具有在发射和透射光波之间产生建设性干扰的效果。“就好像两个河流一样，其中一个的波浪偏离了另一个波长的一半波长，”evers说：“你说，”你的距离恰到好处。“这有效果，在河流满足之后，两条河上的波浪彼此随着时间的运动。波峰与波峰峰值一致，波浪放大，而不是彼此减少。然而，该技巧不仅在谐振波长下的光线上工作，而且还具有在谐振波长周围更宽的波长范围内的逆效果（即衰减）。基尔利安Heeg这样就像这样。“我们将否则将X射线辐射挤压为共振。”

使物理学家能够足够快地将铁箔速度移动，并且它安装在压电晶体上。该晶体响应于施加的电压而膨胀或收缩。使用专门开发的计算机程序，基于海德堡的研究人员能够调整控制压电晶体以最大化谐振信号的放大的电信号。

长度测量和原子钟的应用

研究人员为他们的新技术看到了广泛的潜在应用。根据Thomas Pfeifer的说法，该程序将扩展新型高功率X射线源的效用，用于高分辨率X射线光谱。这将使原子和分子发生的内容更准确地建模。Pfeifer还强调了该技术在计量中的效用，特别是对于长度的高精度测量和量子的时间定义。“通过X射线，可以比可见光更精确地测量长度10,000倍，”磷丝解释道。这可用于研究和优化纳米结构，例如计算机芯片和新开发的电池。Pfeifer还设想X射线原子钟，比现在基于可见光的最先进的光学原子钟更精确。

并非最不重要的是，更好的X射线光谱可以使我们能够回答物理学的巨大未解答的问题之一 - 是否物理常数是恒定的，或者它们是否随时间缓慢变化。如果后者是真的，共振线会随着时间的推移缓慢漂移。极度尖锐的X射线光谱可以确定是否在相对短的时段内是这种情况。

evers估计，一旦成熟，该技术将相对容易地融入斯记和ESRF的实验中。“应该可以制作一个可以快速安装的鞋盒大小的设备，并根据我们的计算，可以实现大约10倍的放大，”他补充道。

出版物：K.P.Heeg等，“核心共振精密光谱X射线脉冲的光谱缩小”2017年7月28日：卷。 357，第6349页，第375-378页; DOI：10.1126 / science.aan3512.