탁자용 크기의 아토 초(attosecond) 펄스를 가진 장비는 새로운 종류의 스펙트럼 재료분석을 가능하게 할 수 있다. 세계 최초의 탁자
크기인 X-선 레이저는 싱크론(synchrotron) 시설까지 필요로 하지 않으며 눈깜짝할 사이에 진행되는 빠른 화학반응을 분석하기에 충분히
빠른 펄스를 생산한다.
만약 계획한대로 이 장비가 상업화 된다면 시스템으로 새로운 종류의 스펙트럼 및 재료 연구를 상대적으로
경제적인 경비로 수행할 수 있게 될 것이다. 잠정적인 응용분야는 짧은 시간 동안에 진행되는 화학적인 공정, 예를 들면, 첨단재료에서 전하,
스핀, 광 및 에너지 상호반응과 같은 반응들을 모니터링하고 분석하는 것이 될 것이다.
탁상 규모에 맞는 X-선 빔은 고도로 조화된
발생원으로 불리는 비선형 광학기술을 통해 발생된다. 비엔나 기술연구소, 코넬 대학 및 스페인의 살라만카(Salamanca) 대학의 협력연구원뿐만
아니라 콜로라도 볼더 대학의 공동연구자와 함께 Tenio Popmintchev, Margaret Murnane, Henry Kapteyn이 빔을
개발하였다.
“개발된 연구결과는 화학분야에 큰 영향을 미친다.”라고 뉴욕 Yorktown Heights 에 있는 IBM의 T.
J. Watson 연구센터의 X-선 응용전문가인 Richard Haight는 말한다. 예를 들면, 원자의 산화 상태를 연구하기 위해서 핵심
수준의 광전자 스펙트럼 분석을 사용하여 짧은 시간에 정확하게 재료를 분석하는 것이 가능해질 수 있다고 그는 말한다. 또한 적절한 X-선 광학을
사용하여 레이저는 “나노크기의 차원에서 시간-분해능 화학”초점을 맞출 수 있으며 이는 아토화학(attochemistry)의 새롭고 흥미로운
분야에 대한 새로운 문을 열어주는 것이 된다.”라고 그는 말한다.
고도로 조화된 발생에서 자외선 레이저는 고압 하에 헬륨 가스가
채워진, 파장이 유도하는 세포에 초점을 맞추게 된다. 레이저는 반복적으로 헬륨 원자를 이원화시키며 이는 방출된 전자들이 다시 헬륨 이온으로
돌아오게 한다. 이 공정은 각각의 이온이 개개의 고에너지 유연한 ?선 광자 속으로 일련의 5,000 저에너지 IR 광자들이
“upconvert”하게 한다. 이 공정은 상(phase) 매칭으로 불리며 가스 압력을 조절하는 것에 의해 이루어질 수 있고 결과적으로 얻는
X-선 파들은 상호간에 건설적으로 방해하여 고유한 빔을 발생하게 한다. 엄격하게 이야기해서 X-선 빔은 직접적인 레이저에 의해 발생하지 않기
때문에 본질적으로 레이저 대신에 레이저와 유사한 것이며 이는 전력의 금지적인 양을 필요로 한다.
새로운 빔은
“수퍼컨티넘(supercontinuum)으로 부드러운 X-선((120 eV to 10 keV) 방사를 통해 최고의 자외선(10 to 120
eV)을 가진다. “가장 넓은 스펙트럼 밴드 넓이의 고유 광원이 발생한다.”라고 Kapteyn는 말한다. 수퍼컨티넘은 광대역원 혹은 고립되고
특별한 밴드 넓이의 광원으로 사용될 수 있다.
장비의 낮은 전력 소모(1와트)는 다른 고유한 부드러운 X-선 원을 작동하는데
필요로 하는 에너지의 약 1%로서 탁자 크기의 X-선 장비의 핵심이 된다. X-선은 2.5 아토초(2.5 × 10?18 초)만큼 빠른 시간 내에
폭발한다. 아토초 펄스는 “핵 혹은 기본적인 입자 상호반응과는 다른, 자연 세계에서 어떠한 과정과도 연계된 시간 규모이며 가장 짧은 공간에 대한
증명”일 될 수 있다.”라고 Kapteyn는 말한다.
장비는 5년 후에 상업화될 것이라고 Murnane는 말한다. 그녀와 동료들은
이 장비의 성능이 결과적으로 하드 X-선(120 keV 보다10 keV 더 이상) 및 더 빠른 펄스, 아마도 젭토초(zeptosecond
(10?21 초)으로 확장될 것으로 믿는다. “이러한 초고속이며 고유한 자원은 재료 과학 및 분자 생물학에서 행해질 수 있는, 완전히 새로운
영역의 이미징 실험을 가능하게 할 것이다. 이는 이들 기술에서 가능성에 대한 한계를 뛰어넘는데 도움을 줄 것이다.”라고 캘리포니아 샌디아고
대학의 X-선 기반의 재료 특성분석 전문가인 Oleg Shpyrko는 말한다.
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