„Az UltraFast Science folyóiratban A High-Intensity Attosecond Light Source in Compact Geometry at the ELI ALPS User Facility (magyarul: Kompakt geometriájú, nagy intenzitású attoszekundumos forrás az ELI ALPS felhasználói létesítményben) címmel közölt publikáció összefoglalja, hogy a SYLOS Compact nyalábvonalat milyen feladatra terveztük, illetve, hogy az előzetes elképzelések milyen konkrét műszaki paraméterekkel valósultak meg. Ez a cikk mérföldkő, útmutató a majdani felhasználóknak, hogy tudják, mire képes ez a nyalábvonal” – tájékoztatott Divéki Zsolt, az ELI ALPS Kutatóintézet SYLOS GHHG Compact és GHHG Long kutatócsoport vezetője.
A SYLOS Compact érdekessége, hogy tervezői – a görögországi FORTH Kutatóintézet munkatársai Dimitris Charalambidis vezetésével – az induláskor adtak egy listát, hogy milyen elemekre van szükség a nyalábvonal létrehozásához, a szegedi szakemberek pedig megépítették azt. Az összes csavart, vákuumcsövet, tükröt ők szerezték be, majd szerelték össze. A 2024-ben üzembe helyezett eszközt azóta folyamatosan fejlesztjük.
A SYLOS Compact nyalábvonal elsődleges célja az attoszekundumos időskálájú folyamatok vizsgálata XUV (extrém-ultraibolya) sugárzással. Utóbbi létrehozása komoly technológiai kihívás, mivel a 10 és 121 nanométer közötti hullámhosszal rendelkező, nagy energiájú fotonok a levegőben pár mikrométeren belül elnyelődnek. Ezért a sugárzást előállító berendezést vákuumba kell tenni.
Az XUV sugárzást az ELI ALPS Kutatóintézetben magasharmonikus-keltéssel (HHG – High-Harmonic Generation) állítják elő. A folyamat első lépéseként egy rendkívül intenzív, ultrarövid (femtomásodperces) infravörös lézerimpulzust fókuszálnak valamilyen nemesgázba, például argonba vagy neonba. A lézer óriási elektromos tere alagúteffektussal kiszabadít az atommag mellől egy elektront. A váltakozó lézertér az így létrejött szabad elektront gyorsítja, majd a fázisváltáskor visszalöki az atommag közelébe, ahol az rekombinálódik. A mozgás során felvett extra mozgási energia egyetlen, hatalmas energiájú XUV foton formájában sugárzódik ki. A folyamat végén koherens, lézerszerű, akár attoszekundumos időtartamú XUV fényimpulzusok jönnek létre.
Eddig 13 femtoszekundumos lézert használtak attoszekundumos impulzusok előállítására, a szegedi fizikusok azonban azon is dolgoznak, hogy a keltő impulzusok hosszát közel 4 femtoszekundumra csökkentsék. Ez izolált attoszekundumos impulzusok keltéséhez lenne fontos. Egyébként vannak időbeli karakterizálással eddig meg nem erősített indirekt jelek, amelyek arra utalnak, hogy izolált attoszekundumos impulzust is sikerült előállítani az úgynevezett polarizációs kapuzás technikával, amit a fent említett cikk eredményként közöl.
„Az 1 kHz-es SYLOS Compact GHHG nyalábvonal üzembe helyezése megszünteti a nagy impulzusenergia és a magas ismétlési frekvencia között korábban fennálló kompromisszumkényszert, és ezzel megoldja az ultragyors optika egyik kritikus problémáját” – nyilatkozta Sourin Mukhopadhyay, a SYLOS gáz attoforrások csoport tudományos főmunkatársa.
Míg a szabadelektron-lézerek (FEL-ek) rendkívül nagy csúcsfényességet (peak brilliance) biztosítanak, bonyolult működtetésük és korlátozott hozzáférhetőségük jelentősen korlátozza széles körű alkalmazásukat. A mi alternatív asztali berendezésünk olyan nagy fotonfluxust biztosít, amely elegendő a magas rendű nemlineáris folyamatok kiváltásához, így jól hozzáférhető platformot kínál az összetett, többdimenziós elektronkorrelációk elemzéséhez a femto- és attoszekundumos időtartományban olyan jelenségek révén, mint a kétfotonos kettős ionizáció.
A nyalábvonal teljes egészében a perturbatív XUV tartományban működik, ezáltal új kísérleti megközelítést tesz lehetővé a hagyományos XUV–IR pumpa–próba módszerekhez képest, amelyekben az intenzív infravörös, úgynevezett „dressing” terek elkerülhetetlenül módosítják a vizsgált rendszert. Ennek köszönhetően lehetővé válik a tisztán elektronikus korrelációk közvetlen, torzításmentes megfigyelése. Nyílt hozzáférésű felhasználói létesítményként a berendezés szélesebb kutatói közösség számára teszi elérhetővé a nagy fotonfluxusú attoszekundumos kutatásokat, miközben új határokat nyit az időfelbontás, az impulzusenergia és a megvalósítható kísérletek összetettsége terén.
A lézernyaláb különböző távolságokra – 10, 6 és 3 méterre – fókuszálható. Erre azért van szükség, mert a folyamat nagyon alacsony hatásfokú: egymillió lézerfoton kell egyetlen XUV foton létrehozásához. Javítható a hatásfok például a lézer energiájának növelésével, azonban a túl nagy energiájú lézer letépheti az elektronokat a céltárgy atomjairól; ilyenkor nem keletkezik hasznos fényimpulzus. Megfelelő lézerintenzitással ez a probléma is kezelhető. A különböző fókusztávolságokkal a fókuszpont méretét növelhetjük azért, hogy nagyszámú, nagy energiájú XUV foton keletkezzen. Ilyenkor több atomot világítunk meg, azaz több XUV forrás keletkezik.
Az impulzus időbeli hosszúságát és spektrális tartományát is ismerni kell, hiszen egy felhasználó joggal érdeklődhet e paraméterek iránt. A sugárzásokat karakterizáló berendezéssel a fizikusok az attoszekundumos sugárzás térbeli és időbeli alakját, energiáját, illetve spektrumát is elemezték, ahogy arról a publikációban is szó esik.
Divéki Zsolt szerint a szegedi lézerekhez hasonló berendezések működtetéséhez szinte polihisztornak kell lenni. Érteni kell a számítástechnikához, a hálózatokhoz, a mozgatható elemek vezérléséhez, az optikához, a vákuumhoz, az atomfizikához, a spektroszkópiához, az anyagtudományhoz és még sok minden máshoz.
„A szabványosított kísérleti állomások lehetővé teszik a külső kutatók számára, hogy ezeket az impulzusokat az elektronok dinamikájának vizsgálatára és szabályozására használják különböző halmazállapotú anyagokban – többek között a molekulafizika és a kondenzált anyagok fizikája területén –, ezáltal közvetlenül támogatják az attokémia, a kvantumszabályozás és a petahertzes optoelektronika fejlődését” – mondta Sourin Mukhopadhyay.