১০০ অ্যাটোসেকেন্ড, ১০ টেরাওয়াট

এক অ্যাটোসেকেন্ড হলো এক সেকেন্ডের শত কোটি ভাগের শত কোটি ভাগের এক ভাগ। এত ছোট আলোর পালস পরমাণু, অণু ও কঠিন পদার্থে ইলেকট্রনের গতিতে, তাদের স্বাভাবিক সময়-মাপে, সরাসরি পৌঁছানোর সুযোগ দেয় — এই ক্ষেত্রটি ২০২৩ সালের পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কারে স্বীকৃত। টেবিলে রাখার মতো উৎস অ্যাটোসেকেন্ড পালস তৈরি করে, কিন্তু সীমিত শক্তিতে, বিশেষ করে ছোট তরঙ্গদৈর্ঘ্যে। ফলে “প্রবলভাবে চালিত” (strongly driven) পরীক্ষাগুলো সম্ভব হয় না, যেখানে আলো ইলেকট্রনকে জোরালোভাবে ধাক্কা দেয়।

মুক্ত-ইলেকট্রন লেজার এই সীমা অতিক্রম করে। এই যন্ত্রগুলোতে প্রায় আলোর বেগে চলা ইলেকট্রনের একটি রশ্মি পর্যায়ক্রমে বিপরীতমুখী চুম্বকের একটি দীর্ঘ সারি, অর্থাৎ আনডুলেটর (undulator), পার হয়। রশ্মির ঘনত্বের ক্ষুদ্র ওঠানামা নিজে নিজেই বাড়তে থাকে, যতক্ষণ না ইলেকট্রনগুলো একটি তীব্র এক্স-রে ঝলক বিকিরণ করে। এমন কয়েকটি সুবিধা ইতিমধ্যেই নিয়মিতভাবে কয়েকশো মাইক্রোজুল পর্যন্ত অ্যাটোসেকেন্ড এক্স-রে পালস তৈরি করে।

গুচ্ছ যত ছোট, ঝলক তত ছোট

অ্যাটোসেকেন্ড ঝলক পেতে হলে যে ইলেকট্রন গুচ্ছটি লেজার তৈরি করে, সেটিকেই অত্যন্ত ছোট হতে হবে। DESY, European XFEL, TU ডর্টমুন্ড এবং হামবুর্গ ও কাসেল বিশ্ববিদ্যালয়ের ইয়েভগেনি শ্নাইডমিলার ও তাঁর ৩৭ জন সহকর্মী এটিকে চরমে নিয়ে গেছেন European XFEL-এ, জার্মানির শেনেফেল্ডে অবস্থিত অতিপরিবাহী এক্স-রে লেজারে।

European XFEL-এর বিন্যাস: এই কাজে ব্যবহৃত পাঁচটি সংকোচন-ধাপ সবুজ বৃত্তে চিহ্নিত। — চিত্র ১, শ্নাইডমিলার ও অন্যান্য (২০২৬), arXiv:2609.31534।

তিনবারের বদলে পাঁচবার চাপ

স্বাভাবিক পরিচালনায় গুচ্ছগুলো তিনটি চৌম্বক “শিকেন” (chicane) দিয়ে যায় যা তাদের ছোট করে, আর শেষটি ইচ্ছাকৃতভাবে কেবল আংশিক সংকোচন করে। দলটি সব বদলে দিয়েছে:

• তৃতীয় শিকেন এখন ৩৫০ পিকোকুলম্বের একটি বেশ ভারী গুচ্ছকে সম্পূর্ণভাবে সংকুচিত করে।
• একটি কলিমেটর অংশ, যা সাধারণত নিষ্ক্রিয়, হয়ে ওঠে চতুর্থ ধাপ: রশ্মিটিকে ১৪.৩ GeV-তে, অর্থাৎ তার নির্ধারিত শক্তির চেয়ে ৩০০ MeV বেশিতে চালালে একটি দ্বিতীয়-ক্রমের প্রভাব সক্রিয় হয়, যা একে আরও সংকুচিত করে।
• দুটি আনডুলেটর লাইনের মাঝের বাঁকটি, এক জোড়া ফোকাসিং চুম্বকের সুর বিগড়ে দিয়ে, হয়ে ওঠে পঞ্চম ধাপ। উজানে একটি ২০০ মিটার দীর্ঘ আনডুলেটর পার হওয়ার সময় গুচ্ছটি ঠিক প্রয়োজনীয় শক্তি-বিস্তার অর্জন করে নিয়েছে।

সিমুলেশন দেখায় গুচ্ছটি এক মাইক্রোমিটারের নিচে সংকুচিত হয়েছে, সর্বোচ্চ প্রবাহ ১,৫০,০০০ অ্যাম্পিয়ার — একটি এক্স-রে লেজারের জন্য ব্যতিক্রমী রকম বেশি, যদিও এই বিমলাইনে তা সরাসরি মাপা যায় না। ইলেকট্রনের উচ্চ শক্তিই মূল চাবিকাঠি: লেখকরা উল্লেখ করেছেন, অন্যত্র নরম এক্স-রের জন্য ব্যবহৃত ৩–৪ GeV-তে এমন গুচ্ছের শক্তি-বিস্তার লেজারকে কাজই করতে দিত না।

এক অ্যাটোসেকেন্ডে মিলিজুল

২০২৫ ও ২০২৬ সালে তিনটি পরীক্ষামূলক পর্বে ১,০০০ ইলেকট্রন-ভোল্টের (প্রায় ১.২ ন্যানোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্য) এক্স-রে ঝলক তৈরি হয়েছে। পর্বভেদে ২০ থেকে ৩৯% পালসের বর্ণালিতে একটিমাত্র পরিষ্কার চূড়া দেখা গেছে, গড় শক্তি ১.২ থেকে ২.০ মিলিজুল। আলাদা আলাদা পালস ৩ মিলিজুল পর্যন্ত পৌঁছেছে, বর্ণালি-প্রস্থ ১০ থেকে ৩০ eV।

স্থায়িত্ব অনুমান করা হয় বর্ণালি থেকে: ১৮ eV চওড়া একটি পালস সবচেয়ে ভালো ক্ষেত্রে প্রায় ১০০ অ্যাটোসেকেন্ডের সমান। প্রস্থকে শক্তির বিপরীতে আঁকলে, এই আদর্শ অনুমানে একক-চূড়ার ঘটনাগুলোর ৫৭% পড়ে ১০ টেরাওয়াট সর্বোচ্চ ক্ষমতার রেখার ওপরে, আর একটি হতাশাবাদী অনুমানেও ৬%।

প্রতিটি বিন্দু একটি একক-চূড়ার এক্স-রে পালস। ড্যাশ-রেখার বক্রগুলোর ওপরের বিন্দুগুলো ১০ টেরাওয়াটের বেশি সর্বোচ্চ ক্ষমতার সঙ্গে মেলে। — চিত্র ৪, শ্নাইডমিলার ও অন্যান্য (২০২৬), arXiv:2609.31534।

একটি একটি করে বাছাই

স্থায়িত্ব সরাসরি সময়ে মাপা হয় না: বর্ণালি থেকে আলোর দশা (phase) জানা যায় না, তাই অনুমানটি নির্ভর করে একটি প্রমিত মডেল এবং সাম্প্রতিক কিছু পরিমাপের ওপর, যা দেখায় এমন পালস তাদের সম্ভাব্য সবচেয়ে কম স্থায়িত্বের কাছাকাছি থাকে। এক শট থেকে আরেক শটে ওঠানামাও প্রবল। তবে European XFEL প্রতি সেকেন্ডে কয়েক দশ হাজার পর্যন্ত পালস দেয়, এবং প্রতিটি পালসের শক্তি ও বর্ণালি সেটিকে নষ্ট না করেই রেকর্ড করা যায়। ব্যবহারকারীরা কেবল সবচেয়ে ছোট, সবচেয়ে তীব্র ঝলকগুলো রেখে দিতে পারবেন — লেখকদের ভাষায়, সীমার শেষ প্রান্তে ঠেলে দেওয়া ইলেকট্রন পর্যবেক্ষণের এক নতুন অধ্যায়।