Nové lasery pracujúce s röntgenovým žiarením majú ambíciu v reálnom čase sledovať chemické reakcie a ďalšie procesy v mikrosvete s atomárnym rozlíšením.
Laser je jeden z najvýznamnejších fyzikálnych objavov posledných desaťročí. Umožnil vytvárať sústredené lúče intenzívneho svetla a našiel uplatnenie v materiálovej vede aj medicíne.
Extrémne záblesky
Názov laser pochádza z anglického light amplification by stimulated emission of radiation, teda zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia. Tento dlhý názov odzrkadľuje základnú konštrukciu lasera. Kryštálu alebo plynu sa dodáva energia napríklad elektrickým prúdom alebo teplom (tzv. pumpovanie), čím sa jeho atómy držia vo vzbudenom stave. Takéto atómy majú prebytok energie, ktorej sa vedia zbaviť vyžiarením svetla. To je spontánna emisia a prebieha náhodne.
K stimulovanej emisii dochádza, keď je emisia svetla vyvolaná vplyvom vonkajšieho žiarenia. Svetlo vyžiarené pri stimulovanej emisii má rovnaký smer, vlnovú dĺžku aj fázu ako žiarenie, ktoré emisiu vyvolalo, čoho výsledkom je zosilnenie intenzity pôvodného svetla. Opakovaním tohto procesu neustálym pumpovaním látky, cez ktorú prechádza čoraz silnejšie svetlo odrážajúce sa medzi dvoma zrkadlami a vyvolávajúce stimulovanú emisiu, možno dosiahnuť extrémne intenzity, ktorými sa lasery preslávili.
Na báze voľných elektrónov
Svetlo laserových vlastností sa však dá vyrábať aj iným spôsobom ako stimulovanou emisiou. Nabitá častica, napríklad elektrón, pohybujúca sa so zrýchlením – čo zahŕňa aj zmenu smeru, vyžaruje elektromagnetické žiarenie. Tento jav sa využíva v synchrotrónoch, urýchľovačoch častíc, v ktorých elektróny dosahujú vysoké rýchlosti blízke rýchlosti svetla. Pri prechode sériou magnetov, tzv. undulátorom, sú nútené sledovať kľukatú trajektóriu, pričom pri zmene smeru vyžiaria svetlo. Tento proces je analogický spontánnej emisii. Aby sme získali laser, treba dosiahnuť synchronizáciu svetla a elektrónov, čo sa uskutočňuje uzavretím undulátora medzi zrkadlá. Odrážajúce sa svetlo následne ovplyvňuje letiace elektróny, až kým sa nedosiahne rovnováha, v ktorej elektróny vyžarujú svetlo takým spôsobom, že zosilňujú to pôvodné.
Výsledkom je röntgenové laserové zariadenie na princípe voľných elektrónov, po anglicky X-ray free electron laser (XFEL). Voľných preto, lebo nie sú súčasťou atómov v plynoch alebo kryštáloch. Takáto konštrukcia umožňuje koncentrovať veľa fotónov, teda aj veľa energie, do menšieho priestoru, a to vo forme extrémne krátkych pulzov.
Prelomový mikroskop
Sústredenými krátkymi pulzmi röntgenového žiarenia sme vďaka XFEL dosiahli rozmery a časové škály, v ktorých sa pohybujú atómy pri chemických reakciách. Pre vzdialenosti ide konkrétne o ångströmy, teda 10-10 m. Navyše, röntgenové žiarenie je v atómoch absorbované vnútornými elektrónmi nachádzajúcimi sa blízko atómových jadier. Tie sú len málo ovplyvnené prostredím, v ktorom sa atómy nachádzajú, a teda pre daný prvok rovnaké v rôznych molekulách. Röntgenové žiarenie preto dokáže rozlišovať medzi atómami jednotlivých prvkov a výberom vhodnej vlnovej dĺžky si vieme zvoliť, ktoré atómy budeme sledovať.
Časové škály chemických javov sú rôznorodejšie. Elektróny sa presúvajú v časoch rádovo attosekúnd, teda 10-18 s, čo sú zároveň časové škály, na ktorých sa tvoria a rozpadajú chemické väzby. Ťažším a pomalším atómovým jadrám ich presuny trvajú femtosekundy, teda 10-15 s. Kým lasery predchádzajúcej generácie dokázali pozorovať jadrá, nové lasery sú schopné fotiť presun elektrónu molekulou.
Röntgenové lasery boli postavené v Nemecku (v rámci spolupráce, ktorej súčasťou je aj Slovensko), Švajčiarsku, USA, Japonsku a Kórei. Typická konštrukcia pozostáva z viac ako kilometrového urýchľovača a asi stometrového undulátora. Tým sú XFEL ďalším príkladom experimentu, v ktorom na skúmanie tých najmenších častíc hmoty potrebujeme obrovské zariadenia.
Lukáš Konečný
Univerzita v Tromsø, Nórsko
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.
