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At SLAC's Linac Coherent Light Source, a beam of high-energy X-rays is split in two. One half runs straight to a detector that records its energy spectrum. The other is focused onto a spot 150 nanometers wide on a sheet of copper foil, which gives off fluorescent light. Read together, the two measurements let the team calculate how long the pulse lasted: between 100 and 400 attoseconds, at energies around 9 keV.
En la Linac Coherent Light Source del SLAC, un haz de rayos X de alta energía se divide en dos. Una mitad va directamente a un detector que registra su espectro de energía. La otra se enfoca en un punto de 150 nanómetros de ancho sobre una lámina de cobre, que emite luz fluorescente. Leídas en conjunto, las dos mediciones permiten al equipo calcular cuánto duró el pulso: entre 100 y 400 attosegundos, con energías de alrededor de 9 keV.
Making such a pulse is hard, and measuring one is harder. Ichiro Inoue, a professor at the University of Tokyo and lead author, proposed the indirect technique based on amplified spontaneous emission, a light-emission process. Agostino Marinelli, a SLAC professor and study author, said the team had spent several years learning to create these high-energy attosecond pulses, and that measuring them is much harder still. The new diagnostic is the first to show the pulses really are only a few hundred attoseconds long. The method also extends attosecond science to about 9 keV, an order of magnitude beyond earlier soft X-ray experiments that operated below 5 keV.
Producir un pulso así es difícil, y medirlo lo es todavía más. Ichiro Inoue, profesor de la Universidad de Tokio y primer autor, propuso la técnica indirecta basada en la emisión espontánea amplificada, un proceso de emisión de luz. Agostino Marinelli, profesor del SLAC y coautor del estudio, explicó que el equipo había dedicado varios años a aprender a crear estos pulsos de attosegundos de alta energía, y que medirlos resulta aún mucho más complicado. El nuevo diagnóstico es el primero que demuestra que los pulsos duran realmente solo unos cientos de attosegundos. Además, el método lleva la ciencia de los attosegundos hasta unos 9 keV, un orden de magnitud por encima de los experimentos previos con rayos X blandos, que operaban por debajo de 5 keV.
The reason to go higher in energy is depth. Soft X-rays, the lower-energy kind, are well suited to chemical bonds in an atom's outer shell. Hard X-rays above 5 keV penetrate dense matter, which lets scientists pinpoint electrons with atomic precision. Sam Vinko, a physicist at the University of Oxford, describes the usual problem with plasma: the sample is excited, then relaxes and recombines before a measurement can be taken, so researchers often rely on models and assumptions. Scientists can now target extreme systems, such as those in inertial fusion energy experiments, and capture core-excited states before they blur or evolve.
La razón para subir en energía es la profundidad. Los rayos X blandos, de menor energía, son muy adecuados para estudiar los enlaces químicos de la capa externa de los átomos. Los rayos X duros, por encima de 5 keV, penetran en la materia densa, lo que permite a los científicos localizar electrones con precisión atómica. Sam Vinko, físico de la Universidad de Oxford, describe el problema habitual con los plasmas: la muestra se excita, luego se relaja y se recombina antes de que pueda realizarse una medición, por lo que los investigadores suelen depender de modelos y suposiciones. Ahora los científicos pueden apuntar a sistemas extremos, como los de los experimentos de energía de fusión por confinamiento inercial, y capturar estados excitados en capas internas antes de que se difuminen o evolucionen.
X-rays often destroy the delicate samples they scan. These flashes finish before damage or decay can occur, so researchers can photograph a system in its untouched state. Tais Gorkhover of the University of Hamburg thinks this ability may improve nanoscale imaging and could eventually help control, or even reverse, light-matter interactions.
Los rayos X suelen destruir las delicadas muestras que escanean. Estos destellos terminan antes de que puedan producirse daños o degradación, así que los investigadores pueden fotografiar un sistema en su estado original. Tais Gorkhover, de la Universidad de Hamburgo, cree que esta capacidad puede mejorar la obtención de imágenes a escala nanométrica y que, con el tiempo, podría ayudar a controlar, e incluso invertir, las interacciones entre luz y materia.
The people who gain first are those already using the flashes, scientists tracking electron motion in atoms and dense plasmas, and fusion-energy researchers whose experiments are named as targets. For them, the change is practical: a shutter faster than atomic decay, with the sample left intact. The study gives no date for wider access to such pulses, and it does not say when other facilities could reproduce the measurement.
Quienes se benefician primero son los que ya usan los destellos: los científicos que siguen el movimiento de electrones en átomos y plasmas densos, y los investigadores de la fusión cuyos experimentos figuran como objetivos. Para ellos, el cambio es práctico: un obturador más rápido que la desintegración atómica, con la muestra intacta. El estudio no indica una fecha para un acceso más amplio a este tipo de pulsos, ni dice cuándo otras instalaciones podrían reproducir la medición.