X-ışını ışınları yalnızca doktorlar tarafından vücudunuzun içini görmek ve kemiğinizde kırık olup olmadığını anlamak için kullanılmaz. Çok kısa X-ışınlarından oluşan daha güçlü ışınlar, bilim adamlarının tek tek atomların ve moleküllerin yapısını incelemesine ve element türlerini ayırt etmesine yardımcı olabilir.
Ancak doğadaki en hızlı süreçleri yakalamak için süper kısa flaşlar veren bir X-ışını lazer ışınını elde etmek kolay değil; bu başlı başına bir bilimdir.
Radyo dalgaları, mikrodalgalar, görebileceğiniz görünür ışık, ultraviyole ışık ve X ışınlarının hepsi tamamen aynı olgudur: uzayda hareket eden elektromanyetik enerji dalgaları. Onları farklı kılan şey dalga boylarıdır. X-ışını aralığındaki dalgalar kısa dalga boylarına sahipken, radyo dalgaları ve mikrodalgalar çok daha uzundur. Farklı dalga boylarındaki ışık farklı şeyler için faydalıdır; X ışınları doktorların vücudunuzun anlık fotoğraflarını çekmesine yardımcı olurken, mikrodalga fırınlar öğle yemeğinizi ısıtabilir.
Optik lazerler paralel veya paralel ışık ışınları yayan cihazlardır. Tüm dalgaların aynı dalga boyuna sahip olduğu bir ışın gönderirler (lazer işaretleyiciden aldığınız kırmızı ışık buna bir örnektir) ve eşzamanlı olarak salınır.
Son 15 yılda bilim insanları, görünür ışık ışınları yaymak yerine X ışınları yayan X-ışını serbest elektron lazerleri geliştirdiler. Elektronların, tesise bağlı olarak birkaç yüz metre ila 1.700 metre arasında uzun bir hızlandırıcı boyunca seyahat ettiği büyük tesislerde barındırılırlar ve binlerce mıknatıstan geçtikten sonra son derece kısa ve güçlü X-ışını darbeleri üretirler.
Darbeler, flaşın (X-ışını darbesi) bir nesnenin hızlı hareketini yakalayacak kadar kısa olduğu flaşlı fotoğrafçılıkta olduğu gibi kullanılır. Araştırmacılar, atomların ve moleküllerin malzeme veya hücrelerin içinde nasıl hareket ettiğini ve değiştiğini incelemek için bunları kamera olarak kullandılar.
Ancak bu X-ışını serbest elektron lazer darbeleri çok kısa ve güçlü olsa da, bilim adamlarının lazerlerle yapabileceği en kısa darbeler değiller. Daha ileri teknoloji kullanarak ve bazı malzemelerin sahip olduğu özelliklerden yararlanarak araştırmacılar daha da kısa darbeler (attosaniye bölgesinde) oluşturabilirler.
Bir attosaniye, saniyenin milyarda birinin milyarda biridir. Bir attosaniyenin bir saniyeye oranı, evrenin 14 milyar yıllık yaşına göre bir saniyenin karşılığıdır. Atom ve moleküllerdeki en hızlı süreçler attosaniye ölçeğinde gerçekleşir: Örneğin, elektronların bir molekül içinde hareket etmesi attosaniyeler alır.
Bizler X-ışını serbest elektron lazerleriyle çalışan fizikçileriz. X-ışını serbest elektron darbelerinin yoluna farklı türde malzemeler koyduğumuzda ne olacağını inceliyoruz. Yeni bir deneyde, bakır ve manganez örneklerini yüksek düzeyde odaklanmış X-ışını serbest elektron lazer darbelerinin yoluna koyuyoruz. Bu elementler ile X-ışını serbest elektron lazer darbeleri arasındaki etkileşimlerin yeni X-ışını lazer darbeleri oluşturacağını biliyorduk.
Başlangıçta, manganez elementinin farklı kimyasal formlarının (örneğin, manganez-II ve manganez-VII) bu yeni üretilen X-ışını lazer darbelerinin dalga boylarında nasıl küçük değişiklikler yaratacağını bulmak istedik.
Ancak yol boyunca, yeni üretilen X-ışını lazer darbelerinin garip davranmasına neden olan bazı beklenmedik sonuçlar bulduk. İlk başta nedenini anlamadık ama sonunda anladığımızda, iki benzersiz lazer fenomeni keşfettiğimizi ve bu etkilerin, beklediğimizden çok daha kısa, yani şimdiye kadar üretilen en hızlı X-ışını darbelerinden daha kısa X-ışını lazer darbeleri üretmemize yardımcı olduğunu fark ettik.
Filamentasyon – düzensiz atılımlar
Yeni X-ışını lazer darbelerimizin beklediğimiz gibi her zaman ileri yönde patlamadığını gördük. X-ışını serbest elektron lazer darbelerinin yoğunluğunu arttırdığımızda, ortaya çıkan yeni X-ışını lazer darbeleri, biraz farklı yönlerde düzensiz bir şekilde fışkırdı.
Optik lazerler için bu düzensiz sıçramalar (ya da filamanlanma) lazer malzemesindeki kırılma indeksinin değişmesinden kaynaklanır. Ancak, kullandığımız manganez ve bakır da dahil olmak üzere malzemeler X ışınlarını çok fazla kırmadığından, X ışınlarında bu etkiyi görmeyi beklemiyorduk.
Ancak kullandığımız yüksek yoğunluklu X-ışını serbest elektron lazer darbeleri, malzemelerimizde bu düzensiz sıçramalara yol açan kuantum düzeyinde dalgalanmalar yarattı.
Rabi bisikleti—geniş bir ışık spektrumu
Gördüğümüz filamanlaşma etkilerinden daha da şaşırtıcı olanı, ürettiğimiz X-ışını darbelerinin, kullandığımız malzemelerle görmeyi beklediğimizden daha fazla yayılmış çeşitli farklı dalga boyları içermesiydi.
Yetmiş yıl önce, yani ilk optik lazerin üretilmesinden beş yıl önce, fizikçiler Stanley Autler ve Charles Townes, mikrodalgalarda Rabi döngüsü olarak bilinen tuhaf bir olguyu keşfettiler. Ve gördüğümüz dalga boylarının yayılması tıpkı Rabi’nin bisiklet sürmesine benziyordu.
Autler ve Townes, ışık bir atoma çarptığında, atomun, bir elektronu bir enerji seviyesinden daha yüksek bir enerji seviyesine uyararak enerjisini emeceğini biliyordu. Kayıp elektronun bıraktığı boşluk, atomdaki daha yüksek bir enerji seviyesinden gelen ve bu enerji farkını ışık olarak serbest bırakan veya yayan bir elektron tarafından doldurulur.
Autler ve Townes’ın bulduğu şey, mikrodalgalar çok yoğun olduğunda, güçlü elektrik alanının bu enerji seviyelerinin her birini, çiftler adı verilen ve biraz farklı enerjilere sahip iki ayrı seviyeye bölebilmesiydi.
Bu çiftler Rabi frekansı olarak bilinen bir enerji veya frekansla ayrılır. Rabi frekansı yeni ışığın şiddetine bağlıdır. Ne kadar güçlü olursa enerji ayrımı da o kadar büyük olur.
Autler ve Townes, Rabi bisikletini keşfettiklerinde mikrodalga kullandılar. Enerji bölünmesi o kadar küçüktü ki, radyo dalgası frekanslarında Rabi frekansı çok düşüktü.
Bu yeni çalışmada, mikrodalgalardan 100 milyon kat daha kısa dalga boyuna ve 100 milyon kat daha fazla enerjiye sahip olan X ışınlarını kullandık. Bu, ortaya çıkan yeni X-ışını lazer darbelerinin aşırı ultraviyole bölgedeki Rabi frekanslarına karşılık gelen farklı X-ışını dalga boylarına bölündüğü anlamına geliyordu. Ultraviyole ışık, radyo dalgalarından 100 milyon kat daha yüksek bir frekansa sahiptir.
Bu Rabi döngü etkisi, 60-100 attosaniye hızında, bugüne kadarki en kısa yüksek enerjili X-ışını darbelerini üretmemize olanak sağladı.
Gelecekteki yönler ve uygulamalar
X-ışını serbest elektron lazerlerinin şu anda ürettiği darbeler, araştırmacıların atomik bağların oluşumunu, yeniden düzenlenmesini ve kırılmasını gözlemlemesine olanak tanırken, bu tür bağları oluşturan elektron bulutunun içine bakacak kadar hızlı değiller. Bu yeni attosaniyelik X-ışını lazer darbelerinin kullanılması, bilim adamlarının malzemelerdeki en hızlı süreçleri atomik uzunluk ölçeğinde incelemelerine ve farklı elementleri ayırt etmelerine olanak tanıyabilir.
Gelecekte, bu attosaniyelik X-ışını darbelerini daha iyi üretmek için çok daha kısa X-ışını serbest elektron lazer darbelerini kullanmayı da umuyoruz. Tungsten veya hafniyum gibi daha kısa ömürlü, daha ağır malzemeler kullanarak 60 attosaniyenin altında darbeler üretmeyi bile umuyoruz. Bu yeni X-ışını darbeleri, sonunda bilim adamlarının bir elektron bulutunun tam olarak nasıl hareket ettiği ve bir kimyasal bağın gerçekte ne olduğu gibi soruları yanıtlamalarını sağlayacak kadar hızlıdır.
