dari sinar inframerah menjadi sumber radiasi sinar-X

Menjajaki struktur dalam atom, molekul, dan zat padat memerlukan peran sinar-X. Energi dan panjang gelombang cahaya sinar-X sangat sesuai untuk mengamati sifat spin elektronik, rincian kimia, dan interaksi, di mana tidak ada jenis cahaya lain dapat mencapainya. Untuk alasan ini, ada banyak kepentingan dalam mengembangkan laser sinar-X (X-ray laser). Sementara kita telah berhasil mengubah beberapa akselerator partikel menjadi laser elektron bebas X-ray (free electron X-ray laser), perangkat laser sinar-x portabel akan membuat pencitraan canggih jauh lebih mudah didekati.

Sekarang, para peneliti telah mengembangkan perangkat yang berawal dari laser inframerah dan mengubahnya menjadi sinar dengan intensitas foton lebih tinggi. Perangkat baru ini tidak sama dengan laser, dimana memancarkan seluruh spektrum yang luas dari panjang gelombang. Namun, cahaya yang dihasilkan adalah koheren, dan yang paling penting, ia meluas menjadi sinar-X tanpa memerlukan akselerator partikel.

Hal ini sebagaimana dijelaskan dalam makalah yang diterbitkan oleh majalah Science edisi Mei 2012 yang ditulis oleh Tenio Popmintchev dkk. Dalam makalah itu pulsa pendek dari laser inframerah diarahkan ke atom gas yang berada dalam tekanan tinggi. Interaksi yang kompleks antara foton inframerah dan elektron dalam atom-atom yang menghasilkan spektrum yang luas dari cahaya, mulai dari ultraviolet hingga sinar-X. Cahaya yang dipancarkan adalah koheren, yang berarti foton merambat bersama-sama secara berkorelasi, dalam bentuk pulsa sangat singkat dari cahaya dengan intensitas tinggi.

Para peneliti menggunakan teknik dikenal sebagai pembangkitan harmonik tingkat tinggi (High-Harmonic Generation/HHG). Kondisi ini serupa dengan cicitan nyaring dari dawai dalam sebuah alat musik yang terkadang menyertai nada yang lebih rendah. Perbedaannya adalah bahwa sementara alat musik dapat menghasilkan lusinan nada harmonik, HHG oleh tekanan gas dapat membuat ribuan harmonik, dan “nada” adalah frekuensi cahaya. Bahkan, frekuensi begitu banyak dibuat dalam percobaan ini bahwa mereka muncul menjadi kontinum bukan “nada” individual yang tajam. Dalam hal ini penulis menyebutnya sebagai sebuah supercontinuum.

HHG adalah reaksi umum dari atom saat terkena sinar laser ultracepat (ultrafast laser). Sementara cahaya inframerah tidak cukup energik untuk mengionisasi atom, medan listrik yang terkait dengan pulsa pendek cahaya memicu elektron bolak-balik. Saat elektron tenang, foton baru dipancarkan. Selain itu, elektron berinteraksi langsung dengan aspek gelombang dari cahaya, sesuatu yang dikenal sebagai gerak bergetar (quiver motion).

Untuk membuat sinar-X cahaya dengan memanfaatkan HHG, para peneliti menggunakan pulsa dalam satuan femtosecond (10 pangkat minus 15 detik) dari laser inframerah, diarahkan ke sebuah wadah gas (helium, neon, argon, atau nitrogen). Wadah sendiri adalah Waveguide, ruang dengan bentuk, dimensi, dan sifat listrik yang membentuk perilaku dari gelombang cahaya. Geometri Waveguide dan tekanan tinggi dalam gas bersama-sama menimbulkan HHG itu. Dalam hal ini, para peneliti menemukan tekanan yang optimal helium sekitar 35 atm; di atas itu, interaksi atom-atom interaksi memutus koherensi dari cahaya sinar-X yang dipancarkan.

Dalam makalah di majalah Science ini, para penulis menunjukkan bahwa cahaya sinar-X yang dihasilkan ini sebenarnya koheren. Mereka juga sekaligus menyoroti bagaimana temuan fisika skala waktu pendek ini bisa diwujudkan dalam praktik. Mereka juga membahas kesulitan membandingkan hasil eksperimen mereka untuk beberapa aspek dari model teoritis untuk perilaku semacam ini. mereka juga berharap perangkat keras mereka bekerja akan meningkatkan model yang ada, karena ini adalah langkah kunci untuk membangun laser sinar-x yang bahkan lebih energik.