ATTOSEKUNDE 100, TERAWATI 10 — The Knowledge Frontier

Attosekunde ni sehemu moja ya bilioni ya bilioni ya sekunde. Mipigo ya mwanga mifupi kiasi hicho hutoa njia ya moja kwa moja ya kufuatilia mwendo wa elektroni katika atomi, molekuli na yabisi, katika kipimo chao cha asili cha muda — uwanja uliotambuliwa na Tuzo ya Nobel ya Fizikia ya 2023. Vyanzo vinavyotoshea juu ya meza huzalisha mipigo ya attosekunde, lakini kwa nishati ndogo, hasa katika urefu mfupi wa mawimbi. Hilo huzuia majaribio ya ‘kuendeshwa kwa nguvu’ (strongly driven), ambapo mwanga huzisukuma elektroni kwa nguvu.

Leza za elektroni huru (free-electron lasers) hushinda kikomo hicho. Katika mashine hizi, boriti ya elektroni zinazokwenda karibu na kasi ya mwanga hupita kwenye safu ndefu ya sumaku zinazopishana, anduleta (undulator). Mabadiliko madogo kabisa ya msongamano katika boriti hujikuza yenyewe hadi elektroni zinapotoa mwale mkali wa X-ray. Vituo kadhaa vya aina hii tayari huzalisha kwa kawaida mipigo ya X-ray ya attosekunde, hadi mamia ya mikrojuli.

Kadiri fungu linavyokuwa fupi, ndivyo mwale unavyokuwa mfupi

Ili kupata mwale wa attosekunde, fungu la elektroni linalotoa leza lenyewe lazima liwe fupi mno. Evgeny Schneidmiller na wenzake 37 wa DESY, European XFEL, TU Dortmund, na vyuo vikuu vya Hamburg na Kassel walilifikisha hili kwenye ukingo katika European XFEL, leza ya X-ray inayotumia upitishaji-umeme kamili (superconducting) huko Schenefeld, Ujerumani.

Mchoro wa European XFEL kuanzia bunduki ya elektroni hadi anduleta, wenye duara tano za kijani zilizo na namba zinazoonyesha hatua za kubana.

Mpangilio wa European XFEL: hatua tano za kubana zilizotumika katika kazi hii zimezungushiwa duara za kijani. — Kielelezo 1, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.

Mibano mitano badala ya mitatu

Katika uendeshaji wa kawaida, mafungu hupita kwenye ‘chikeni’ (chicanes) tatu za kisumaku zinazoyafupisha, na ya mwisho hubana kwa makusudi kwa sehemu tu. Timu ilibadilisha kila kitu:

Chikeni ya tatu sasa hubana kikamilifu fungu zito kiasi la pikokulomu 350.
Sehemu ya kolimeta, ambayo kwa kawaida haina athari, inakuwa hatua ya nne: kuendesha boriti kwa GeV 14.3, MeV 300 juu ya nishati yake ya kawaida, huamsha athari ya daraja la pili inayoibana zaidi.
Mpindo kati ya mistari miwili ya anduleta unakuwa hatua ya tano, kwa kuvuruga upatanisho wa jozi ya sumaku zinazolenga. Fungu limepata mtawanyiko sahihi wa nishati likipita kwenye anduleta ya mita 200 iliyo kabla yake.

Uigaji unaonyesha fungu likibanwa chini ya mikromita moja, likiwa na mkondo wa kilele wa ampea 150,000 — juu isivyo kawaida kwa leza ya X-ray, ingawa hauwezi kupimwa moja kwa moja kwenye mstari huu wa boriti. Nishati kubwa ya elektroni ndiyo ufunguo: kwa GeV 3–4 zinazotumika kwa X-ray laini kwingineko, mtawanyiko wa nishati wa fungu kama hilo ungezuia leza kufanya kazi, waandishi wanabainisha.

Milijuli ndani ya attosekunde

Mizunguko mitatu ya majaribio, mwaka 2025 na 2026, ilizalisha miale ya X-ray ya elektronivolti 1,000 (urefu wa wimbi wa takriban nanomita 1.2). Kutegemea mzunguko, 20 hadi 39% ya mipigo ilionyesha kilele kimoja safi katika spektra yake, ikiwa na nishati za wastani za milijuli 1.2 hadi 2.0. Mipigo binafsi ilifikia milijuli 3, ikiwa na upana wa spektra wa eV 10 hadi 30.

Urefu wa muda unakisiwa kutokana na spektra: mpigo wenye upana wa eV 18 unalingana na takriban attosekunde 100 kwa hali bora. Ukichora upana dhidi ya nishati, 57% ya matukio ya kilele kimoja yako juu ya mstari unaolingana na nguvu ya kilele ya terawati 10 chini ya dhana hiyo bora, na 6% hata chini ya dhana ya kukata tamaa.

Mchoro wa nukta zilizotawanyika wa upana wa spektra dhidi ya nishati ya mpigo kwa mizunguko mitatu, wenye mikunjo miwili ya vistari inayoonyesha nguvu ya kilele ya terawati 10.

Kila nukta ni mpigo mmoja wa X-ray wenye kilele kimoja. Nukta zilizo juu ya mikunjo ya vistari zinalingana na nguvu za kilele zaidi ya terawati 10. — Kielelezo 4, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.

Huchaguliwa moja baada ya jingine

Urefu wa muda haupimwi moja kwa moja kwa wakati: spektra haitoi taarifa kuhusu awamu (phase) ya mwanga, kwa hiyo makadirio yanategemea kielelezo cha kawaida na vipimo vya hivi karibuni vinavyoonyesha kwamba mipigo ya aina hii iko karibu na urefu wake mfupi kabisa unaowezekana. Mipigo pia hutofautiana sana kutoka mmoja hadi mwingine. Lakini European XFEL hutoa hadi makumi ya maelfu ya mipigo kwa sekunde, na nishati na spektra ya kila mpigo vinaweza kurekodiwa bila kuuharibu. Watumiaji wataweza kubakiza tu miale mifupi zaidi na mikali zaidi — mazingira mapya, waandishi wanaandika, ya kutazama elektroni zikisukumwa hadi kikomo chao.