EnglishSLAC meet de kortste energierijke röntgenflitsen ooit uit een röntgenlaser
Onderzoekers van het Amerikaanse SLAC hebben aangetoond dat hun röntgenlaser energierijke flitsen van 100 tot 400 attoseconden maakt, volgens SLAC de kortste ooit bij zo'n laser. Daarmee kunnen ze elektronen in actie zien, ook diep in dichte materialen zoals heet plasma.
Onderzoekers van het Amerikaanse SLAC National Accelerator Laboratory hebben gemeten dat hun röntgenlaser LCLS energierijke röntgenflitsen maakt van 100 tot 400 attoseconden. Volgens SLAC zijn dat de kortste energierijke flitsen die ooit bij een röntgenlaser zijn vastgelegd. Een attoseconde is een miljardste van een miljardste seconde. In 100 attoseconden komt zelfs licht niet verder dan zo'n 30 nanometer, kleiner dan de meeste virussen.
SLAC maakte het resultaat op 20 oktober bekend. Het onderzoek verscheen die dag in het vakblad Nature Photonics, met Ichiro Inoue, hoogleraar aan de Universiteit van Tokio, als hoofdauteur. Het team zette een eerste versie van het artikel in juni 2025 online; daarna hebben vakgenoten het werk gecontroleerd.
Waarom zulke korte flitsen?
Elektronen, de kleine deeltjes rond de kern van een atoom, bewegen razendsnel. Zij bepalen hoe een materiaal stroom geleidt, licht opneemt of chemisch reageert. Wie wil zien wat ze doen, heeft een flits nodig die korter duurt dan hun beweging. Het werkt net als bij een fotograaf die een sprinter scherp wil vastleggen: hoe korter de sluitertijd, hoe minder bewegingsonscherpte.
Het team van Agostino Marinelli, hoogleraar bij SLAC en een van de auteurs, maakte in 2019 al flitsen van attoseconden, maar dan met 'zachte' röntgenstraling. De nieuwe flitsen zijn 'hard': elk lichtdeeltje erin heeft bijna twee keer zoveel energie als de zachte flitsen hooguit hadden. Daardoor dringen ze dieper door in materialen en kunnen ze kleinere details zien, tot op de schaal van losse atomen. De flitsen zijn dus energierijk genoeg om diep in atomen te kijken en kort genoeg om de beweging van elektronen als het ware stil te zetten.
Het moeilijkste: bewijzen dat ze zo kort zijn
Het maken van zulke flitsen had het team de afgelopen jaren al onder de knie, zegt Marinelli. Ook bij de Europese röntgenlaser European XFEL bij Hamburg maakten onderzoekers, onder wie Inoue, in 2024 al energierijke flitsen van een paar honderd attoseconden. Het meten van zo'n korte flits is volgens Marinelli veel moeilijker. Deze meting is volgens het team de eerste die rechtstreeks bewijst dat zulke flitsen echt een paar honderd attoseconden duren.
Geen gewone klok is zo snel, dus bedacht Inoue een omweg. Het team splitste de röntgenbundel. Een deel ging naar een meetinstrument dat bepaalde welke energieën in de flits zaten. De rest werd gericht op een stipje van ongeveer 150 nanometer breed, honderden keren dunner dan een mensenhaar, op een dun laagje koper. Het koper zendt dan zelf een röntgenflits uit, in dezelfde richting als de bundel. Hoe sterk die tweede flits is, hangt af van hoe fel de oorspronkelijke flits was, en dus ook van hoe kort hij duurde. Uit de twee metingen samen rekenden de onderzoekers de duur uit.
Een ander team bij SLAC, onder leiding van Yanwen Sun, mat de duur op een tweede manier. Het splitste elke flits in twee helften en liet die met een klein, instelbaar tijdsverschil op een materiaal vallen. Dat materiaal reageert alleen als het twee röntgendeeltjes tegelijk opvangt, en dat gebeurt vooral als het licht heel fel is. De reactie is dus het sterkst als de twee helften precies tegelijk aankomen. Door het tijdsverschil steeds een beetje te veranderen, zag het team hoe lang de helften elkaar overlappen, en daarmee hoe lang een flits duurt: gemiddeld 170 attoseconden. Sun presenteerde die meting in augustus op een internationale conferentie over röntgenlasers op de campus van Stanford.
Wat onderzoekers ermee willen
Röntgenstraling verstoort de toestand van de elektronen die ze bekijkt. Een flits van attoseconden is volgens Inoue sneller dan die verstoring. Zo kunnen onderzoekers vastleggen hoe de elektronen er echt bij lagen, voordat de straling zelf iets veranderde.
Sam Vinko, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Oxford, bestudeert plasma: heet, dicht, elektrisch geladen materiaal, zoals in sterren en in proeven met kernfusie. Tot nu toe was röntgenlicht te zwak om door zo'n plasma heen te komen, of te traag om snelle veranderingen erin vast te leggen. Dit voorjaar kon Vinko met de nieuwe flitsen bij LCLS wel door zo'n plasma heen kijken. Zo mat hij toestanden waarin een van de binnenste elektronen van een atoom extra energie heeft gekregen, voordat die toestanden konden veranderen. Volgens SLAC is dat nog bij geen enkele andere röntgenlaser gelukt. Voor plasmafysici is dat een grote stap, zegt Vinko, omdat ze anders vooral op rekenmodellen moeten vertrouwen.
Tais Gorkhover, die aan de Universiteit van Hamburg een onderzoeksgroep voor ultrasnelle röntgenbeelden leidt, maakte eerder al beelden met de zachte flitsen van LCLS. Met de energierijke flitsen verwacht ze nog scherpere beelden van heel kleine structuren. Ze ziet ook een kans om straks te sturen hoe licht en materie op elkaar reageren, en misschien zelfs de schade door röntgenstraling terug te draaien.
Het onderzoek wordt mede betaald door het Amerikaanse ministerie van Energie. LCLS is een onderzoeksfaciliteit van dat ministerie, waar groepen van buiten SLAC meettijd kunnen aanvragen.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Dit is geen nieuwe chip of batterij, maar een beter meetinstrument. Juist die staan vaak aan het begin van grote stappen. Elektronen bepalen hoe chips, zonnecellen en batterijen werken. Wie elektronen in actie kan zien, ook diep in een materiaal, begrijpt beter waarom een materiaal doet wat het doet, en kan gerichter zoeken naar betere materialen. Nu vaststaat hoe kort de flitsen zijn, kunnen onderzoeksgroepen van over de hele wereld ze bij LCLS gebruiken voor hun eigen experimenten.
