100 آتوثانیه، 10 تراوات
یک آتوثانیه یک میلیاردمِ یک میلیاردمِ ثانیه است. تپ‌های نوری به این کوتاهی دسترسی مستقیم به حرکت الکترون‌ها در اتم‌ها، مولکول‌ها و جامدات را در مقیاس زمانی طبیعی خودشان فراهم می‌کنند؛ حوزه‌ای که با جایزهٔ نوبل فیزیک 2023 به رسمیت شناخته شد. چشمه‌های رومیزی تپ‌های آتوثانیه‌ای تولید می‌کنند، اما با انرژی محدود، به‌ویژه در طول‌موج‌های کوتاه. این امر آزمایش‌های «به‌شدت رانده‌شده» را، که در آن‌ها نور الکترون‌ها را با قدرت به حرکت درمی‌آورد، ناممکن می‌کند.
لیزرهای الکترون آزاد بر این محدودیت غلبه می‌کنند. در این دستگاه‌ها، باریکه‌ای از الکترون‌ها که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند از ردیف بلندی از آهنرباهای متناوب، یعنی یک آن‌دولاتور (undulator)، می‌گذرد. افت‌وخیزهای بسیار کوچک چگالی در باریکه خودبه‌خود تقویت می‌شوند تا جایی که الکترون‌ها درخش شدیدی از پرتو ایکس تابش می‌کنند. چندین تأسیسات از این دست هم‌اکنون به‌طور معمول تپ‌های آتوثانیه‌ای پرتو ایکس تا صدها میکروژول تولید می‌کنند.
دستهٔ کوتاه‌تر، درخش کوتاه‌تر
برای به دست آوردن درخشی آتوثانیه‌ای، دستهٔ الکترونی که لیزر می‌شود باید خودش بسیار کوتاه باشد. Evgeny Schneidmiller و 37 همکارش در DESY، European XFEL، TU Dortmund و دانشگاه‌های هامبورگ و کاسل، در European XFEL، لیزر ابررسانای پرتو ایکس در شِنِفِلد آلمان، تا مرز نهایی پیش رفتند.
چیدمان European XFEL: پنج مرحلهٔ فشرده‌سازی به‌کاررفته در این کار با دایرهٔ سبز مشخص شده‌اند. — شکل 1، Schneidmiller و همکاران (2026)، arXiv:2609.31534.
پنج فشرده‌سازی به جای سه
در کار عادی، دسته‌ها از سه «شیکِین» مغناطیسی می‌گذرند که آن‌ها را کوتاه می‌کنند، و آخری عمداً فقط تا حدی فشرده می‌کند. گروه همه‌چیز را تغییر داد:
- شیکِین سوم اکنون دسته‌ای نسبتاً سنگین به بار 350 پیکوکولن را به‌طور کامل فشرده می‌کند.
- یک بخش موازی‌ساز (collimator) که معمولاً خنثی است به مرحلهٔ چهارم تبدیل می‌شود: راندن باریکه در 14.3 GeV، یعنی 300 MeV بالاتر از انرژی اسمی‌اش، اثری مرتبهٔ دوم را فعال می‌کند که آن را بیشتر فشرده می‌کند.
- خمیدگی میان دو خط آن‌دولاتور، با خارج کردن یک جفت آهنربای کانونی‌کننده از تنظیم، به مرحلهٔ پنجم تبدیل می‌شود. دسته هنگام عبور از یک آن‌دولاتور 200 متری در بالادست، پراکندگی انرژی مناسب را کسب کرده است.
شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که دسته تا زیر یک میکرومتر فشرده می‌شود و جریان اوج آن به 150,000 آمپر می‌رسد؛ مقداری استثنایی برای یک لیزر پرتو ایکس، هرچند در این خط باریکه مستقیماً قابل اندازه‌گیری نیست. کلید کار انرژی بالای الکترون‌هاست: به گفتهٔ نویسندگان، در 3 تا 4 GeV که در جاهای دیگر برای پرتوهای ایکس نرم به کار می‌رود، پراکندگی انرژی چنین دسته‌ای مانع کار کردن لیزر می‌شد.
میلی‌ژول‌ها در یک آتوثانیه
سه دورهٔ آزمایشی در 2025 و 2026 درخش‌های پرتو ایکس با 1,000 الکترون‌ولت (طول‌موجی در حدود 1.2 نانومتر) تولید کردند. بسته به دوره، 20 تا 39 درصد تپ‌ها در طیفشان یک قلهٔ منفرد و تمیز نشان دادند، با انرژی میانگین 1.2 تا 2.0 میلی‌ژول. تپ‌های منفرد با پهنای طیفی 10 تا 30 eV به 3 میلی‌ژول رسیدند.
مدت تپ از طیف استنباط می‌شود: تپی به پهنای 18 eV در بهترین حالت با حدود 100 آتوثانیه متناظر است. با رسم پهنا بر حسب انرژی، تحت این فرض آرمانی، 57 درصد رویدادهای تک‌قله‌ای بالای خطی قرار می‌گیرند که با توان اوج 10 تراوات متناظر است، و حتی تحت فرضی بدبینانه 6 درصد.
هر نقطه یک تپ پرتو ایکس تک‌قله‌ای است. نقطه‌های بالای منحنی‌های خط‌چین با توان‌های اوج بیش از 10 تراوات متناظرند. — شکل 4، Schneidmiller و همکاران (2026)، arXiv:2609.31534.
گزینش یکی‌یکی
مدت تپ مستقیماً در زمان اندازه‌گیری نمی‌شود: طیف به فاز نور دسترسی نمی‌دهد، بنابراین برآورد بر یک مدل استاندارد و بر اندازه‌گیری‌های اخیری تکیه دارد که نشان می‌دهند چنین تپ‌هایی به کوتاه‌ترین مدت ممکن خود نزدیک‌اند. شلیک‌ها نیز از یکی به دیگری به‌شدت افت‌وخیز دارند. اما European XFEL تا ده‌ها هزار تپ در ثانیه تولید می‌کند، و انرژی و طیف هر تپ را می‌توان بدون نابود کردنش ثبت کرد. کاربران خواهند توانست فقط کوتاه‌ترین و شدیدترین درخش‌ها را نگه دارند؛ به نوشتهٔ نویسندگان، این رژیمی تازه برای تماشای الکترون‌هایی است که تا حد نهایی‌شان رانده شده‌اند.