100 ॲटोसेकंद, 10 टेरावॅट

ॲटोसेकंद म्हणजे सेकंदाच्या अब्जाव्या भागाचा अब्जावा भाग. इतक्या लहान प्रकाश-स्पंदांमुळे अणू, रेणू आणि घन पदार्थांमधील इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीचा, त्यांच्या नैसर्गिक कालमानावर, थेट वेध घेता येतो — या क्षेत्राला 2023 च्या भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिकाने मान्यता दिली. टेबलावर मावणारे स्रोत ॲटोसेकंद स्पंद निर्माण करतात, पण त्यांची ऊर्जा मर्यादित असते, विशेषतः लहान तरंगलांबींवर. त्यामुळे ‘प्रबलपणे चालवलेले’ (strongly driven) प्रयोग, जिथे प्रकाश इलेक्ट्रॉनना जोरदारपणे हलवतो, अशक्य होतात.

मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेसर (free-electron lasers) ही मर्यादा ओलांडतात. या यंत्रांमध्ये, जवळजवळ प्रकाशाच्या वेगाने जाणारा इलेक्ट्रॉनचा किरण आलटूनपालटून मांडलेल्या चुंबकांच्या एका लांब रांगेतून, म्हणजे अंड्युलेटरमधून, जातो. किरणातील घनतेचे अगदी सूक्ष्म चढउतार स्वतःलाच प्रवर्धित करतात, आणि शेवटी इलेक्ट्रॉन एक तीव्र क्ष-किरण झोत उत्सर्जित करतात. अशा अनेक सुविधा आधीच नियमितपणे ॲटोसेकंद क्ष-किरण स्पंद, शेकडो मायक्रोज्यूलपर्यंत, निर्माण करतात.

गठ्ठा जितका लहान, झोत तितका लहान

ॲटोसेकंद झोत मिळवण्यासाठी, लेसिंग करणारा इलेक्ट्रॉनचा गठ्ठा स्वतःच अत्यंत लहान असला पाहिजे. DESY, European XFEL, TU Dortmund, आणि हॅम्बर्ग व कासेल विद्यापीठांमधील एव्गेनी श्नाइडमिलर आणि त्यांच्या 37 सहकाऱ्यांनी जर्मनीतील शेनेफेल्ड येथील अतिसंवाहक क्ष-किरण लेसर, European XFEL, येथे हे टोकापर्यंत नेले.

इलेक्ट्रॉन गनपासून अंड्युलेटरपर्यंत European XFEL चा आराखडा, ज्यात पाच क्रमांकित हिरवी वर्तुळे आकुंचनाचे टप्पे दर्शवतात.

European XFEL ची रचना: या कामात वापरलेले पाच आकुंचन-टप्पे हिरव्या वर्तुळांनी दाखवले आहेत. — आकृती 1, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.

तीनऐवजी पाच आकुंचने

नेहमीच्या कार्यपद्धतीत, गठ्ठे तीन चुंबकीय ‘चिकेन’मधून (chicanes) जातात जे त्यांना लहान करतात, आणि शेवटचे चिकेन मुद्दामच अंशतः आकुंचन करते. चमूने सगळेच बदलले:

तिसरे चिकेन आता 350 पिकोकूलंबच्या बऱ्यापैकी जड गठ्ठ्याचे पूर्ण आकुंचन करते.
एरवी तटस्थ असलेला एक कोलिमेटर विभाग चौथा टप्पा बनतो: किरण 14.3 GeV वर, त्याच्या नाममात्र ऊर्जेपेक्षा 300 MeV जास्त, चालवल्याने एक द्वितीय-क्रमाचा परिणाम सक्रिय होतो जो त्याला आणखी आकुंचित करतो.
दोन अंड्युलेटर रेषांमधील वळण, फोकस करणाऱ्या चुंबकांच्या एका जोडीचे सुसंवादन (tuning) बिघडवून, पाचवा टप्पा बनते. आधीच्या 200 मीटर लांबीच्या अंड्युलेटरमधून जाताना गठ्ठ्याने योग्य ऊर्जा-विस्तार मिळवलेला असतो.

सिम्युलेशन दाखवतात की गठ्ठा एका मायक्रोमीटरपेक्षाही कमी आकुंचित झाला, आणि त्याचा शिखर-प्रवाह 150,000 अँपिअर होता — क्ष-किरण लेसरसाठी अपवादात्मकरीत्या जास्त, जरी या बीमलाइनवर तो थेट मोजता येत नाही. इलेक्ट्रॉनची उच्च ऊर्जा ही गुरुकिल्ली आहे: लेखक नमूद करतात की इतरत्र मृदू क्ष-किरणांसाठी वापरल्या जाणाऱ्या 3–4 GeV ऊर्जेवर, अशा गठ्ठ्याचा ऊर्जा-विस्तार लेसरला काम करूच देणार नाही.

एका ॲटोसेकंदात मिलिज्यूल

2025 आणि 2026 मधील तीन प्रायोगिक फेऱ्यांनी 1,000 इलेक्ट्रॉनव्होल्ट (सुमारे 1.2 नॅनोमीटर तरंगलांबी) ऊर्जेचे क्ष-किरण झोत निर्माण केले. फेरीनुसार, 20 ते 39% स्पंदांच्या वर्णपटात एकच स्वच्छ शिखर दिसले, आणि त्यांची सरासरी ऊर्जा 1.2 ते 2.0 मिलिज्यूल होती. वैयक्तिक स्पंद 3 मिलिज्यूलपर्यंत पोहोचले, 10 ते 30 eV च्या वर्णपट-रुंदीसह.

कालावधी वर्णपटावरून अनुमानित केला जातो: 18 eV रुंदीचा स्पंद जास्तीत जास्त सुमारे 100 ॲटोसेकंद इतका असतो. रुंदी विरुद्ध ऊर्जा असा आलेख काढल्यावर, एकल-शिखर घटनांपैकी 57% घटना त्या आदर्श गृहीतकाखाली 10 टेरावॅट शिखर-शक्तीशी संबंधित रेषेच्या वर येतात, आणि निराशावादी गृहीतकाखालीही 6%.

तीन फेऱ्यांसाठी वर्णपट-रुंदी विरुद्ध स्पंद-ऊर्जा असा विखुरलेल्या बिंदूंचा आलेख, ज्यात दोन तुटक वक्र 10 टेरावॅट शिखर-शक्ती दर्शवतात.

प्रत्येक बिंदू म्हणजे एकल-शिखर क्ष-किरण स्पंद. तुटक वक्रांच्या वरचे बिंदू 10 टेरावॅटपेक्षा जास्त शिखर-शक्तीशी संबंधित आहेत. — आकृती 4, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.

एकेक करून निवडलेले

कालावधी थेट काळात मोजला जात नाही: वर्णपटावरून प्रकाशाची प्रावस्था (phase) कळत नाही, त्यामुळे हा अंदाज एका प्रमाणित प्रतिरूपावर आणि असे स्पंद त्यांच्या शक्य तितक्या लहान कालावधीच्या जवळ असतात हे दाखवणाऱ्या अलीकडील मोजमापांवर आधारित आहे. प्रत्येक झोत आधीच्या झोतापेक्षा बराच वेगळा असतो. पण European XFEL दर सेकंदाला हजारो स्पंदांपर्यंत पुरवतो, आणि प्रत्येक स्पंदाची ऊर्जा आणि वर्णपट तो नष्ट न करता नोंदवता येतो. वापरकर्ते फक्त सर्वात लहान, सर्वात तीव्र झोत निवडून ठेवू शकतील — लेखकांच्या मते, आपल्या मर्यादेपर्यंत ढकललेल्या इलेक्ट्रॉनचे निरीक्षण करण्यासाठी हे एक नवे क्षेत्र आहे.