Впервые исследователям удалось многократно усилить рентгеновское излучение в резонаторной полости, аналогично традиционным лазерам. Эта новая технология позволяет получать чрезвычайно мощные рентгеновские импульсы для высокоточных экспериментов. Полученное достижение открывает новые возможности для исследований в физике, химии и биологии. Система получила название XFELO. В её создании участвовали исследователи из Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL), DESY и Гамбургского университета.

Фото установки и схема-иллюстрация XFELO. Картинка с сайта DESY

Группа инженеров и ученых впервые продемонстрировала, что резонатор для жесткого рентгеновского излучения может обеспечивать чистое усиление рентгеновского излучения, при этом рентгеновские импульсы циркулируют между кристаллическими зеркалами и усиливаются в процессе, подобно тому, как это происходит в оптическом лазере. Результатом экспериментальной работы на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах - European XFEL стало получение особенно когерентного, лазерного излучения беспрецедентного качества в спектре жесткого рентгеновского излучения. Генерация лазерного излучения внутри резонатора с использованием коротковолнового рентгеновского излучения была сложной задачей по ряду причин, включая – на базовом уровне – то, что природа света затрудняет отражение пучка под большими углами.

Техника XFELO (сокращенно от X-Ray Free-Electron Laser Oscillator – рентгеновский лазер на свободных электронах) открывает новые перспективы для научных исследований, от сверхбыстрых химических реакций до детального анализа мельчайших биологических структур.

Сегодня лазеры на свободных электронах генерируют рентгеновские импульсы с помощью линейных ускорителей электронов. Электрические поля ускоряют пучки, состоящие примерно из 100 миллиардов электронов, до скорости, близкой к скорости света. Затем отрицательно заряженные элементарные частицы проходят через специальные магнитные структуры, называемые ондуляторами. Они заставляют электроны двигаться по высокоскоростной слаломной траектории. Постоянное изменение направления заставляет электроны испускать сильно сгруппированные рентгеновские лучи в прямом направлении. На Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (XFEL) до 27 000 пучков электронов в секунду проходят через ондуляторы и генерируют рентгеновские вспышки с той же скоростью.

Хотя эти рентгеновские вспышки уже обладают исключительно хорошим качеством, они все еще сохраняют некоторую размытость с точки зрения энергии. Новая система XFELO помогает значительно уменьшить эту размытость и генерировать рентгеновское излучение с точно определенной энергией. Для прецизионных экспериментов это особенно важно.

В XFELO рентгеновское излучение несколько раз отражается от контура, называемого резонатором. Резонатор состоит из двух комплектов алмазных зеркал и ряда ондуляторов между ними. При каждом прохождении рентгеновское излучение взаимодействует с «новым» пучком электронов из электронного ускорителя, усиливая и концентрируя излучение.

Все подробности можно прочитать в статье в свободном доступе в журнале Nature и на сайте DESY.