Atomi kao antene

Laserski rendgenski zraci obećavaju izvanredne primjene

Laserski puls MPG
čitati naglas

Fizičari s Instituta Max Planck za kvantnu optiku u Garchingu sada su u suradnji s kolegama sa Bečkog tehnološkog sveučilišta i Sveučilišta u Würzburgu i Münchenu razvili prvi kompaktni uređaj koji proizvodi laserski snop zrake za valnu duljinu od jednog nanometra. Stoga su došli korak bliže snu mnogih radiologa i biologa o kompaktnom "izvoru svjetlosti", ultrasvjetlosnih zraka pulsirajući X-zrake u smjeru kao što emitira lasersko svjetlo.

Znanstvenici su uvjereni da će takav izvor omogućiti stvaranje rendgenskih slika u mnogo većoj rezoluciji uz znatno smanjenu dozu zračenja u odnosu na današnje snimanje. Za probir raka to bi značilo dramatično smanjenje rizika. Mikroskopi opremljeni takvim izvorom zračenja omogućili bi analizu biomolekula u njihovom prirodnom okruženju s razlučivošću u rasponu nanometara.

Boja svjetlosti određena je duljinom ciklusa elektromagnetskog vala, takozvanom valnom duljinom. Crveno svjetlo ima valnu duljinu od oko 700 nanometara, dok ljubičasto svjetlo valne duljine od oko 400 nanometara upravo opaža ljudsko oko. Svjetlost kraće valne duljine (ultraljubičasto svjetlo) je nevidljiva, a kada se valni ciklus skrati na manje od nanometara, doseže se raspon rendgenskih zraka.

Oscilacije laserskim snopom

Njemačko-austrijski istraživački tim na čelu s prof. Ferencom Krauszom usredotočio se na niz snažnih ultrasjetljivih bljeskova crvene svjetlosti na helijevom plinu kako bi pretvorio 700 nanometara laserske svjetlosti u 1-nanometarski rendgenski zrak koji emitira pobuđeni atom helija. Lasersko polje visokog intenziteta uzrokuje gigantske oscilacije negativno nabijenog elektronskog oblaka oko pozitivno nabijene jezgre, pretvarajući tako atome u antene.

Zbog vrlo velikih amplituda njihovih vibracija, atomi zrače ne samo valnom duljinom pokretačkog lasera (700 nanometara), već i kraćim valnim duljinama. Budući da antene pokreću lasersko polje u uobičajenom načinu, vrijeme se zadržava i kada zrače valovi. Sitni "atomski" valovi su izuzetno slabi, ali zbrajaju se dok se svi njišu na vrijeme. Ovo stvara rendgenski val značajnog intenziteta, koji se emitira u usmjerenom snopu paralelnom s upadnom laserskom svjetlošću. prikaz

Ultra kratki laserski impulsi probijaju barijeru

Gore opisani fenomen nije nov. Uobičajena je tehnika za rutinsku proizvodnju laserskog ultraljubičastog zračenja za raspon valnih duljina od 100 nanometara do manje od deset nanometara. Međutim, sve je teže pomaknuti granice ove tehnologije na kraće valne duljine, jer snažno lasersko polje uzrokuje da se iz atoma izvadi sve više elektrona, koji tada sprečavaju izgradnju intenzivnog vala slabih "atomskih" valova.

Radne skupine su sada riješile ove probleme ozračivanjem atoma najkraćim svjetskim laserskim impulsima visokog intenziteta. Trajanje impulsa bilo je samo pet milijuna mjesečne milijarde sekunde (= pet femtosekundi). Ti impulsi udaraju u atome tako naglo da se elektroni ne mogu izdvojiti iz atoma prije nego što se X-zrake emitiraju.

Zahvaljujući ovom izuzetno kratkom vremenu interakcije, istraživači nisu samo uspjeli prodrijeti na nanometarsku barijeru, već su za njihov izvor rendgenskih zraka prvi put potrebni i X-zraci impulsa s trajanjem impulsa kraćim od 0, 1 femtosekunde (= 100). shvatiti attosecond). Rendgenski snop dobavljen novim izvorom trenutno je preslab za praktičnu primjenu. No, istraživači su uvjereni da će tehnička poboljšanja povećati snagu rendgenskih zraka za nekoliko reda veličine. Ako ovaj trik bude uspješan, istraživači su uvjereni da će novi "alat" pružiti potpuno nove mogućnosti u raznim područjima fizike, biologije i znanosti o materijalima.

(MPG, 17.02.2005. - NPO)