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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.
Au Linac Coherent Light Source du SLAC, un faisceau de rayons X de haute énergie est scindé en deux. Une moitié part directement vers un détecteur qui enregistre son spectre énergétique. L'autre est focalisée sur un point large de 150 nanomètres sur une feuille de cuivre, qui émet une lumière de fluorescence. Lues ensemble, les deux mesures permettent à l'équipe de calculer la durée de l'impulsion : entre 100 et 400 attosecondes, pour des énergies d'environ 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.
Produire une telle impulsion est difficile, la mesurer l'est encore davantage. Ichiro Inoue, professeur à l'université de Tokyo et premier auteur de l'étude, a proposé la technique indirecte fondée sur l'émission spontanée amplifiée, un processus d'émission de lumière. Agostino Marinelli, professeur au SLAC et coauteur de l'étude, explique que l'équipe a passé plusieurs années à apprendre à créer ces impulsions attosecondes de haute énergie, et que les mesurer est bien plus ardu encore. Le nouveau diagnostic est le premier à montrer que ces impulsions ne durent réellement que quelques centaines d'attosecondes. La méthode étend aussi la science attoseconde jusqu'à environ 9 keV, un ordre de grandeur au-delà des expériences antérieures sur rayons X mous, qui fonctionnaient en dessous 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.
Si l'on monte en énergie, c'est pour la profondeur. Les rayons X mous, de plus faible énergie, conviennent bien aux liaisons chimiques de la couche externe d'un atome. Les rayons X durs, au-delà de 5 keV, pénètrent la matière dense, ce qui permet aux scientifiques de localiser les électrons avec une précision atomique. Sam Vinko, physicien à l'université d'Oxford, décrit le problème habituel avec les plasmas : l'échantillon est excité, puis se relâche et se recombine avant qu'une mesure puisse être effectuée, si bien que les chercheurs s'appuient souvent sur des modèles et des hypothèses. Les scientifiques peuvent désormais cibler des systèmes extrêmes, comme ceux des expériences de fusion par confinement inertiel, et saisir les états à cœur excités avant qu'ils ne s'estompent ou n'évoluent.
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.
Les rayons X détruisent souvent les échantillons délicats qu'ils sondent. Ces éclairs s'achèvent avant que tout dommage ou toute dégradation ne se produise : les chercheurs peuvent donc photographier un système dans son état intact. Tais Gorkhover, de l'université de Hambourg, estime que cette capacité pourrait améliorer l'imagerie à l'échelle nanométrique et, à terme, aider à contrôler, voire à inverser, les interactions lumière-matière.
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.
Les premiers bénéficiaires sont ceux qui utilisent déjà ces éclairs, les scientifiques qui suivent le mouvement des électrons dans les atomes et les plasmas denses, ainsi que les chercheurs en énergie de fusion dont les expériences sont citées comme cibles. Pour eux, le changement est concret : un obturateur plus rapide que la désintégration atomique, avec l'échantillon laissé intact. L'étude ne donne aucune date pour un accès plus large à ces impulsions et ne précise pas quand d'autres installations pourraient reproduire la mesure.