تیرگی متناقض تصاویر اشعه ایکس فوق سریع
منطقه گرگ و میش نور : تیرگی متناقض تصاویر اشعه ایکس فوق سریع -یک همکاری تحقیقاتی بین‌المللی نشان داد که پالس‌های لیزر پرتو ایکس فوق سریع باعث می‌شوند تصاویر پراش کریستال‌های سیلیکون به دلیل آسیب الکترونیکی سریع، با شدت بالا کم‌نور شوند.
این کشف فرصت‌های جدیدی را برای تولید پالس لیزری کوتاه‌تر و تحلیل دقیق‌تر ساختار اتمی باز می‌کند.
تحقیقات نشان می‌دهد که پالس‌های پرتو ایکس با شدت بالا باعث تیرگی غیرمنتظره در تصاویر پراش کریستال سیلیکونی می‌شوند، پدیده‌ای که می‌تواند منجر به پیشرفت‌هایی در فناوری لیزر و تجزیه و تحلیل مواد شود.
وقتی چیزی را روشن می کنیم، معمولاً انتظار داریم که هر چه منبعی که استفاده می کنیم روشن تر باشد، تصویر حاصل روشن تر خواهد بود. این قانون همچنین برای پالس های فوق کوتاه نور لیزر – اما فقط تا یک شدت خاص کار می کند.
محققان در حال بررسی این موضوع هستند که چرا تصاویر پراش اشعه ایکس در شدت های بسیار زیاد پرتو ایکس کمتر روشن می شوند.
درک این پدیده نه تنها دانش ما را در مورد برهمکنش نور-ماده عمیق تر می کند، بلکه چشم اندازی منحصر به فرد برای تولید پالس های لیزری با مدت زمان بسیار کوتاه تر از آنچه در حال حاضر موجود است، ارائه می دهد.
راه اندازی آزمایشی در تاسیسات SACLA
مشاهدات شگفت انگیز در پراش اشعه ایکس
هر چه نور بیشتر باشد، روشن تر؟ این مشاهدات ممکن است بی اهمیت به نظر برسد، اگر به خاطر این واقعیت نبود که … همیشه درست نیست!
هنگامی که کریستال های سیلیکون با پالس های لیزری فوق سریع پرتو ایکس روشن می شوند، تصاویر پراش حاصل در واقع در ابتدا روشن تر می شوند هر چه فوتون های بیشتری بر روی نمونه بیفتند، یعنی شدت پرتو بیشتر می شود.
با این حال، اخیراً یک اثر ضد شهودی مشاهده شده است: هنگامی که شدت پرتو اشعه ایکس شروع به تجاوز از یک مقدار بحرانی خاص می کند، تصاویر پراش به طور غیرمنتظره ای ضعیف می شوند.
منطقه گرگ و میش نور
این پدیده گیج کننده به لطف تلاش های فیزیکدانان تجربی و نظری از موسسات تحقیقاتی ژاپنی، لهستانی و آلمانی، از جمله مرکز RIKEN SPring-8 در هیوگو، موسسه فیزیک هسته ای آکادمی علوم لهستان (IFJ) به تازگی توضیح داده شده است. PAN) در کراکو و مرکز علوم لیزر الکترون آزاد (CFEL) در آزمایشگاه DESY در هامبورگ.
تاسیسات لیزر الکترون آزاد SACLA، که در آن آزمایش بر روی پراش پالس های پرتو ایکس فوق کوتاه بر روی نمونه های سیلیکون کریستالی انجام شد.
نقش XFELها در تجزیه و تحلیل ماده
لیزرهای الکترون آزاد اشعه ایکس (XFELs) پالس های پرتو ایکس بسیار قدرتمندی با مدت زمان فمتوثانیه، یعنی چهار میلیاردم ثانیه تولید می کنند.
ماشین‌هایی از این نوع که در حال حاضر تنها در چند نقطه در جهان کار می‌کنند، از جمله برای تجزیه و تحلیل ساختار ماده با استفاده از پراش پرتو ایکس استفاده می‌شوند.
با این روش، یک نمونه با پالس اشعه ایکس روشن می شود و تابش پراش شده ثبت می شود.
سپس تصویر پراش به‌دست‌آمده به منظور بازسازی ساختار کریستالی اصلی ماده مورد بررسی استفاده می‌شود.
توضیح اثر تیرگی غیرمنتظره
شهود به ما می گوید که هر چه فوتون های بیشتری داشته باشیم، تصویر پراش نمونه باید واضح تر باشد.
این در واقع صدق می کند، اما فقط تا یک شدت اشعه ایکس مشخص، در حد ده ها تریلیون وات بر سانتی متر مربع.
وقتی از این مقدار فراتر رفت – و ما اخیراً قادر به انجام این کار بوده ایم – سیگنال پراش ناگهان شروع به ضعیف شدن می کند.
پروفسور Beata Ziaja-Motyka (IFJ PAN، DESY)، که با مدل‌سازی نظری و شبیه‌سازی کامپیوتری پدیده‌های مرتبط با برهمکنش پالس‌های پرتو ایکس فوق‌سریع با ماده سروکار دارد، می‌گوید: تحقیقات ما اولین تلاش برای توضیح این اثر غیرمنتظره است.
بینش از تحقیقات نظری و شبیه سازی
تحقیقات نظری انجام شده برای توضیح نتایج آزمایش با شلیک لیزر XFEL بر روی نمونه‌های سیلیکون کریستالی در تاسیسات XFEL ژاپن، به نام SACLA، Hyogo، توسط شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پشتیبانی شده‌اند.
توضیح زیر در مورد پدیده مشاهده شده از کار محققان پدید آمد.
هنگامی که بهمنی از فوتون‌های پرانرژی به یک ماده برخورد می‌کند، الکترون‌ها از لایه‌های اتمی مختلف حذف می‌شوند که منجر به یونیزاسیون سریع اتم‌ها در ماده می‌شود.
سال گذشته، گروه ما نشان داد که اولین حرکات اتم های یونیزه شده در شبکه کریستالی، آغازگر فرآیند خود تخریبی ساختاری نمونه، با تاخیر تقریباً 20 فمتوثانیه پس از برخورد پالس نور به نمونه رخ داده است.
دکتر ایچیرو اینو از مرکز RIKEN SPring-8، مسئول این آزمایش، می گوید: اکنون متقاعد شده ایم که دلیل تضعیف سیگنال پراش اخیراً به دلیل پدیده هایی است که زودتر، در شش فمتوثانیه اول برهمکنش رخ داده است. مطالعه.
در طول فاز اولیه برهمکنش پرتو ایکس-ماده، فوتون‌های پرانرژی ورودی نه تنها الکترون‌های سطحی (ظرفیت) را از اتم‌ها تحریک می‌کنند، بلکه الکترون‌هایی را که لایه‌های عمیق اتمی را که نزدیک هسته اتم قرار دارند، اشغال می‌کنند.
به نظر می رسد که وجود سوراخ های عمیق پوسته در اتم ها به شدت عوامل پراکندگی اتمی آنها را کاهش می دهد، به عنوان مثال، کمیت های تعیین کننده شدت سیگنال پراش مشاهده شده.
آسیب های الکترونیکی و اثرات آن
“تحقیق ما نشان می دهد که قبل از هر گونه آسیب ساختاری به ماده و متلاشی شدن نمونه، ابتدا یک آسیب الکترونیکی سریع رخ می دهد.
در نتیجه، بخش نهایی پالس عملاً دیگر ماده را یونیزه نمی کند، زیرا تحریک بیشتر الکترون ها توسط فوتون های پرتو ایکس دیگر از نظر انرژی امکان پذیر نیست.
کاربردهای بالقوه و پیشرفت ها
در نگاه اول، اثر مشاهده شده نامطلوب به نظر می رسد، زیرا منجر به کاهش روشنایی تصاویر پراش ثبت شده می شود.
با این حال، به نظر می رسد که می توان به خوبی از این یافته بهره برد.
مشاهده اینکه اتم‌های مختلف واکنش متفاوتی به پالس‌های فوق سریع پرتو ایکس نشان می‌دهند ممکن است به بازسازی دقیق‌تر ساختارهای اتمی پیچیده سه‌بعدی از تصاویر پراش ثبت‌شده کمک کند.
حوزه دیگر کاربرد بالقوه مربوط به تولید پالس های لیزری با مدت زمان پالس بسیار کوتاه است.
از آنجایی که ماده ای که از طریق آن پالس پرتو ایکس با شدت بالا عبور می کند، بخش قابل توجهی از پالس فوق کوتاه را قطع می کند، می توان عمداً از آن به عنوان «قیچی» برای تولید پالس هایی استفاده کرد که به طور مؤثر کوتاه تر از آنچه تاکنون تولید شده اند.
اگر موفقیت آمیز باشد، این می تواند پیشرفت دیگری در تصویربرداری از جهان کوانتومی ایجاد کند.
