100 ATTO GIÂY, 10 TERAWATT
Một atto giây là một phần tỉ của một phần tỉ giây. Những xung ánh sáng ngắn như vậy cho phép tiếp cận trực tiếp chuyển động của electron trong nguyên tử, phân tử và chất rắn, ở đúng thang thời gian tự nhiên của chúng — một lĩnh vực đã được ghi nhận bằng giải Nobel Vật lý năm 2023. Các nguồn sáng đặt trên bàn thí nghiệm có thể tạo ra xung atto giây, nhưng với năng lượng hạn chế, nhất là ở bước sóng ngắn. Điều đó loại trừ các thí nghiệm “kích thích mạnh”, trong đó ánh sáng tác động mạnh lên các electron.
Laser electron tự do vượt qua giới hạn này. Trong những cỗ máy ấy, một chùm electron chuyển động gần bằng tốc độ ánh sáng đi qua một dãy dài các nam châm xếp xen kẽ, gọi là bộ dao động từ (undulator). Những thăng giáng mật độ nhỏ xíu trong chùm tự khuếch đại cho đến khi các electron phát ra một chớp tia X cực mạnh. Một số cơ sở như vậy đã thường xuyên tạo ra xung tia X atto giây, với năng lượng lên tới hàng trăm microjun.
Bó càng ngắn, chớp càng ngắn
Để có một chớp atto giây, chính bó electron phát laser phải cực kỳ ngắn. Evgeny Schneidmiller và 37 đồng nghiệp tại DESY, European XFEL, Đại học Kỹ thuật Dortmund, cùng các đại học Hamburg và Kassel đã đi đến giới hạn tận cùng tại European XFEL, laser tia X siêu dẫn ở Schenefeld, Đức.
Bố trí của European XFEL: năm tầng nén được sử dụng trong nghiên cứu này được khoanh tròn màu xanh lá. — Hình 1, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.
Năm lần nén thay vì ba
Ở chế độ vận hành thông thường, các bó electron đi qua ba “chicane” từ tính để được rút ngắn, và chicane cuối cùng cố ý chỉ nén một phần. Nhóm nghiên cứu đã thay đổi tất cả:
- Chicane thứ ba giờ nén hoàn toàn một bó khá nặng, 350 picocoulomb.
- Một đoạn chuẩn trực, vốn bình thường không tác động gì, trở thành tầng thứ tư: vận hành chùm ở 14,3 GeV, cao hơn năng lượng danh định 300 MeV, kích hoạt một hiệu ứng bậc hai giúp nén chùm thêm nữa.
- Khúc uốn giữa hai tuyến bộ dao động từ trở thành tầng thứ năm, bằng cách làm lệch điều chỉnh một cặp nam châm hội tụ. Bó electron đã thu được độ trải năng lượng phù hợp khi đi qua một bộ dao động từ dài 200 mét ở phía trước.
Mô phỏng cho thấy bó bị nén xuống dưới một micromet, với dòng đỉnh 150.000 ampe — cao bất thường đối với một laser tia X, dù không thể đo trực tiếp trên tuyến chùm này. Năng lượng electron cao là mấu chốt: ở mức 3–4 GeV được dùng cho tia X mềm tại những nơi khác, độ trải năng lượng của một bó như vậy sẽ khiến laser không hoạt động được, các tác giả lưu ý.
Milijun trong một atto giây
Ba đợt thí nghiệm, vào năm 2025 và 2026, đã tạo ra các chớp tia X ở 1.000 electronvolt (bước sóng khoảng 1,2 nanomet). Tùy theo từng đợt, 20 đến 39% số xung cho thấy một gai đơn sạch trong phổ của chúng, với năng lượng trung bình 1,2 đến 2,0 milijun. Một số xung riêng lẻ đạt 3 milijun, với độ rộng phổ từ 10 đến 30 eV.
Thời lượng được suy ra từ phổ: một xung rộng 18 eV tương ứng với khoảng 100 atto giây trong trường hợp tốt nhất. Khi vẽ độ rộng theo năng lượng, 57% số sự kiện gai đơn nằm phía trên đường tương ứng với công suất đỉnh 10 terawatt theo giả định lý tưởng đó, và 6% vẫn nằm trên đường này ngay cả theo một giả định bi quan.
Mỗi chấm là một xung tia X gai đơn. Các chấm phía trên các đường cong nét đứt tương ứng với công suất đỉnh trên 10 terawatt. — Hình 4, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.
Chọn lọc từng xung một
Thời lượng không được đo trực tiếp theo thời gian: phổ không cho biết pha của ánh sáng, nên ước tính dựa trên một mô hình tiêu chuẩn và trên các phép đo gần đây cho thấy những xung như vậy gần với thời lượng ngắn nhất có thể của chúng. Các phát bắn cũng dao động mạnh từ phát này sang phát khác. Nhưng European XFEL cung cấp tới hàng chục nghìn xung mỗi giây, và năng lượng cùng phổ của từng xung có thể được ghi lại mà không phá hủy nó. Người dùng sẽ có thể chỉ giữ lại những chớp ngắn nhất, mạnh nhất — một chế độ mới, theo các tác giả, để quan sát các electron bị đẩy tới giới hạn của chúng.