100 அட்டோவினாடிகள், 10 டெராவாட்

ஒரு அட்டோவினாடி என்பது ஒரு வினாடியின் பில்லியனில் ஒரு பங்கின் பில்லியனில் ஒரு பங்கு. இவ்வளவு குறுகிய ஒளித் துடிப்புகள், அணுக்கள், மூலக்கூறுகள், திண்மங்களில் உள்ள எலக்ட்ரான்களின் இயக்கத்தை அவற்றின் இயல்பான கால அளவிலேயே நேரடியாக அணுக உதவுகின்றன — 2023 இயற்பியல் நோபல் பரிசால் அங்கீகரிக்கப்பட்ட துறை இது. மேசை அளவிலான மூலங்கள் அட்டோவினாடித் துடிப்புகளை உருவாக்குகின்றன, ஆனால் குறைந்த ஆற்றலுடன், குறிப்பாகக் குறுகிய அலைநீளங்களில். ஒளி எலக்ட்ரான்களை வலுவாக இயக்கும் «வலுவாக இயக்கப்படும்» சோதனைகளை இது சாத்தியமற்றதாக்குகிறது.

கட்டற்ற எலக்ட்ரான் லேசர்கள் (free-electron lasers) இந்த வரம்பைக் கடக்கின்றன. இந்த இயந்திரங்களில், ஏறக்குறைய ஒளியின் வேகத்தில் செல்லும் எலக்ட்ரான் கற்றை ஒன்று, மாறி மாறி அமைந்த காந்தங்களின் நீண்ட வரிசையான அன்டுலேட்டர் (undulator) வழியே கடக்கிறது. கற்றையில் உள்ள மிகச் சிறிய அடர்த்தி ஏற்ற இறக்கங்கள் தாமாகவே பெருகி, இறுதியில் எலக்ட்ரான்கள் தீவிரமான எக்ஸ்-கதிர் ஒளிவீச்சை உமிழ்கின்றன. இத்தகைய பல நிலையங்கள் ஏற்கெனவே நூற்றுக்கணக்கான மைக்ரோஜூல் வரையிலான அட்டோவினாடி எக்ஸ்-கதிர் துடிப்புகளை வழக்கமாக உருவாக்குகின்றன.

கொத்து குறுகினால், ஒளிவீச்சும் குறுகும்

அட்டோவினாடி ஒளிவீச்சைப் பெற, லேசராகும் எலக்ட்ரான் கொத்தே மிகக் குறுகியதாக இருக்க வேண்டும். Evgeny Schneidmiller மற்றும் DESY, European XFEL, TU Dortmund, ஹாம்பர்க் மற்றும் காசல் பல்கலைக்கழகங்களைச் சேர்ந்த அவரது 37 சக ஆய்வாளர்கள், ஜெர்மனியின் ஷெனெஃபெல்டில் உள்ள மீக்கடத்தி எக்ஸ்-கதிர் லேசரான European XFEL-இல் எல்லை வரை சென்றனர்.

எலக்ட்ரான் துப்பாக்கியிலிருந்து அன்டுலேட்டர்கள் வரை European XFEL-இன் வரைபடம்; ஐந்து எண்ணிடப்பட்ட பச்சை வட்டங்கள் நெருக்கும் படிகளைக் குறிக்கின்றன.

European XFEL-இன் அமைப்பு: இந்த ஆய்வில் பயன்படுத்தப்பட்ட ஐந்து நெருக்கும் படிகள் பச்சை வட்டத்தால் குறிக்கப்பட்டுள்ளன. — படம் 1, Schneidmiller மற்றும் பலர் (2026), arXiv:2609.31534.

மூன்றுக்குப் பதில் ஐந்து நெருக்கல்கள்

வழக்கமான இயக்கத்தில், கொத்துகள் அவற்றைக் குறுக்கும் மூன்று காந்த «சிக்கேன்கள்» (chicanes) வழியே செல்கின்றன; கடைசியானது வேண்டுமென்றே பகுதியளவே நெருக்குகிறது. குழு எல்லாவற்றையும் மாற்றியது:

மூன்றாவது சிக்கேன் இப்போது 350 பைக்கோகூலம் கொண்ட, ஓரளவு கனமான கொத்தை முழுமையாக நெருக்குகிறது.
வழக்கமாக எதுவும் செய்யாத ஒரு கொலிமேட்டர் பகுதி நான்காவது படியாக மாறுகிறது: கற்றையை அதன் பெயரளவு ஆற்றலைவிட 300 MeV அதிகமாக, 14.3 GeV-இல் இயக்குவது, அதை மேலும் நெருக்கும் இரண்டாம் வரிசை விளைவைத் தூண்டுகிறது.
இரண்டு அன்டுலேட்டர் வரிசைகளுக்கு இடையிலான வளைவு, ஒரு ஜோடி குவிக்கும் காந்தங்களின் அமைப்பை மாற்றுவதன் மூலம், ஐந்தாவது படியாக மாறுகிறது. மேலோட்டத்தில் உள்ள 200 மீட்டர் அன்டுலேட்டரைக் கடக்கும்போதே கொத்து சரியான ஆற்றல் பரவலைப் பெற்றுவிடுகிறது.

கொத்து ஒரு மைக்ரோமீட்டருக்கும் கீழே நெருக்கப்படுவதையும், அதன் உச்ச மின்னோட்டம் 150,000 ஆம்பியர் என்பதையும் உருவகப்படுத்துதல்கள் காட்டுகின்றன — ஒரு எக்ஸ்-கதிர் லேசருக்கு இது விதிவிலக்காக அதிகம், இருப்பினும் இந்தக் கற்றைப் பாதையில் இதை நேரடியாக அளக்க முடியாது. உயர் எலக்ட்ரான் ஆற்றலே திறவுகோல்: பிற இடங்களில் மென் எக்ஸ்-கதிர்களுக்குப் பயன்படுத்தப்படும் 3–4 GeV-இல், இத்தகைய கொத்தின் ஆற்றல் பரவல் லேசர் வேலை செய்வதையே தடுத்துவிடும் என்று ஆசிரியர்கள் குறிப்பிடுகின்றனர்.

ஒரு அட்டோவினாடியில் மில்லிஜூல்கள்

2025 மற்றும் 2026-இல் நடந்த மூன்று சோதனைச் சுற்றுகள் 1,000 எலக்ட்ரான்வோல்ட் (சுமார் 1.2 நானோமீட்டர் அலைநீளம்) எக்ஸ்-கதிர் ஒளிவீச்சுகளை உருவாக்கின. சுற்றைப் பொறுத்து, 20 முதல் 39% துடிப்புகள் தங்கள் நிறமாலையில் ஒற்றைத் தெளிவான உச்சியைக் காட்டின; அவற்றின் சராசரி ஆற்றல் 1.2 முதல் 2.0 மில்லிஜூல். தனித் துடிப்புகள் 10 முதல் 30 eV நிறமாலை அகலத்துடன் 3 மில்லிஜூலை எட்டின.

கால அளவு நிறமாலையிலிருந்து ஊகிக்கப்படுகிறது: 18 eV அகலமுள்ள துடிப்பு சிறந்த நிலையில் சுமார் 100 அட்டோவினாடிகளுக்குச் சமம். அகலத்தை ஆற்றலுக்கு எதிராக வரைந்தால், இந்த இலட்சிய அனுமானத்தின் கீழ் ஒற்றை-உச்சி நிகழ்வுகளில் 57% 10 டெராவாட் உச்ச ஆற்றலுக்கான கோட்டுக்கு மேலே உள்ளன; நம்பிக்கையற்ற அனுமானத்தின் கீழும் 6%.

மூன்று சுற்றுகளுக்கான நிறமாலை அலைக்கற்றை அகலம் மற்றும் துடிப்பு ஆற்றலின் சிதறல் வரைபடம்; இரண்டு புள்ளிக்கோடு வளைவுகள் 10 டெராவாட் உச்ச ஆற்றலைக் குறிக்கின்றன.

ஒவ்வொரு புள்ளியும் ஒரு ஒற்றை-உச்சி எக்ஸ்-கதிர் துடிப்பு. புள்ளிக்கோடு வளைவுகளுக்கு மேலே உள்ள புள்ளிகள் 10 டெராவாட்டுக்கு மேலான உச்ச ஆற்றல்களுக்குச் சமம். — படம் 4, Schneidmiller மற்றும் பலர் (2026), arXiv:2609.31534.

ஒவ்வொன்றாகத் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்டவை

கால அளவு நேரடியாக நேரத்தில் அளக்கப்படவில்லை: நிறமாலை ஒளியின் கட்டத்தை (phase) அணுக அனுமதிப்பதில்லை; எனவே மதிப்பீடு ஒரு நிலையான மாதிரியையும், இத்தகைய துடிப்புகள் சாத்தியமான மிகக் குறுகிய கால அளவுக்கு அருகில் இருப்பதைக் காட்டும் சமீபத்திய அளவீடுகளையும் சார்ந்துள்ளது. சுடுதல்களும் ஒன்றிலிருந்து அடுத்ததற்குப் பெரிதும் மாறுபடுகின்றன. ஆனால் European XFEL வினாடிக்குப் பல்லாயிரக்கணக்கான துடிப்புகள் வரை வழங்குகிறது; ஒவ்வொரு துடிப்பின் ஆற்றலையும் நிறமாலையையும் அதை அழிக்காமலேயே பதிவு செய்ய முடியும். பயனர்கள் மிகக் குறுகிய, மிகத் தீவிரமான ஒளிவீச்சுகளை மட்டும் வைத்துக்கொள்ள முடியும் — தங்கள் எல்லை வரை தள்ளப்பட்ட எலக்ட்ரான்களைக் கவனிப்பதற்கான ஒரு புதிய நிலை இது என்று ஆசிரியர்கள் எழுதுகின்றனர்.