Richard Feynman förutsåg, i sin berömda föreläsning “There’s Plenty of Room at the Bottom” 1959, de möjligheter som allt förbättrade elektronmikroskop skulle ge för vår grundläggande förståelse av naturen samt den eventuella utvecklingen av nanotekniken.

Feynmans insikt var korrekt, och både vetenskap och teknik har verkligen utvecklats mot nano-dimensioner i de nu nästan 60 år som har gått sedan hans föreläsning. Vad inte ens Feynman kunde föreställa sig var emellertid utvecklingen av fotonbaserade tekniker som inte bara kan se på det väldigt lilla men också det väldigt snabba, vilket möjliggör för forskare att utforska naturens grunder.

Varför är den väldigt snabba världen (ofta kallad “ultrasnabb”) intressant? Det har att göra med de karakteristiska tidsskalorna för atomisk och elektronisk rörelse. Intuitivt och klassiskt, ju mindre objekt (vilket ofta betyder lättare), desto snabbare kan det röra sig. Det har att göra med tröghetslagen: ju mindre massan desto mer kan ett föremål accelereras av en given kraft. Med hjälp av kvantmekanik, och i synnerhet den generaliserade Heisenbergs obestämdhetsprincip, kan man uppskatta storleksordningen för denna tidsskala. För energier i storleksordningen 1 elektronVolt (1 eV är ungefär 1,6 x 10^-19 J), de energier som typiskt associeras med elektroniska processer, säger Heisenberg att de snabbaste processerna kan ske på femtosekundskalorna (1 fs = 10^-15 s).

Denna otroligt lilla tidsskala ur vardagens perspektiv kan man nu rutinmässigt komma åt genom kommersiella lasersystem, som under de senaste två decennierna har blivit alltmer tillgängliga i moderna fysiklaboratorier runt om i världen. Men medan tidsskalan inte är ett problem för dessa lasrar, är den rumsliga skalan det. De här lasrarna verkar vanligtvis i det synliga eller när-infraröda området, vilket innebär att deras våglängd är ungefär 1000 gånger större än det typiska avståndet mellan atomerna i ett material. Eftersom våglängden är nära relaterad till den minsta rumsliga upplösningen, är det tydligt att de atomiska skalorna inte kan upplösas. Man behöver röntgenstrålar, som har en mycket kortare våglängd, för att uppnå detta. Röntgenstrålar är också numera lättillgängliga vid synkrotronljuskällor (världens briljantaste är nu MAXIV i Lund), men tyvärr kan de inte produceras i femtosekunds pulser vid dessa anläggningar.

En vetenskaplig revolution ägde dock rum bara för några år tillbaka. Sedan 2009 har en ny typ av ljuskälla som kombinerar både kortvåglängd och ultrasnabba, koherenta femtosekundpulser, en riktig röntgenlaser, byggt på SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien. Videon här förklarar hur en sådan källa fungerar:

Toppeffekten under den korta pulsen (”brilliance” på engelska) på detta instrument är 10 miljarder gånger större än det på bästa befintliga synkrotroner, vilket möjliggör experiment som troddes vara omöjliga även i många vetenskapers vildaste drömmar. Vi kan nu titta på hur elektroner, atomer, molekyler, rör sig i realtid och utrymme, och observera hur naturen verkligen fungerar i grunden. Vi kan se hur många fysiska, kemiska och biologiska processer utvecklas i deras detaljerade temporära och rumsliga skalor. Många genombrott i vår förståelse av naturen har redan inträffat tack vare dessa instrument, och många fler kommer sannolikt att ske i framtiden. Det finns nu fem operativa röntgenlasrar i världen, och några fler som föreslås.

Vi har nyligen fått den glädjande och spännande nyheten att, med stöd av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Stockholms universitet, Uppsala universitet, Lunds universitet, KTH samt MaxIV, kunna initiera en designstudie för en röntgenlaser strålrör (den tekniska termen för ett sådant instrument) i Sverige. Lasern kommer att placeras i Lund, vid MAXIV-laboratoriet, utnyttja den befintliga, nybyggda linjära acceleratorn som driver MAXIV-synkrotronen och kommer att fungera i det så kallade “mjuka” röntgenområdet, dvs med en våglängd mellan 1 och 5 nm. Detta är den optimala “färgen” av röntgenstrålar om man vill förstå elektroniska och magnetiska fenomen i fastämnen, atomfysik, ytkemi och biologi.

Projektet täcker 2 års intensivt arbete som syftar till att designa det nya strålröret, beräkna dess konstruktionskostnad och testa egenskaperna hos elektronstrålen vid den linjära acceleratorn på MAXIV mot röntgenlasing. Vi kommer också att noggrant utforma uppställningarna där vi ska utföra experiment och hur man kombinerar dessa experiment med andra lasrar med längre våglängd: från synligt / UV, ner till infraröd och den enda nyligen tillgängliga terahertzregionen.

Vi är mycket glada över att vi förhoppningsvis kommer att kunna utföra spännande experiment här i Sverige inom ramen för ett nationellt samarbete som redan är internationellt framträdande och som nu kan få möjlighet att bidra till forskningen med ett eget instrument. De internationella forskarna inom röntgen, som i hög grad bidrog till det vetenskapliga underlaget för detta strålrör, är lika entusiastiska som oss och inväntar ivrigt nästa steg.

Med en så intensiv fotonkälla som möjligtvis blir verklighet är det nästan för lätt att säga att framtiden för svensk vetenskap ser extremt ljus ut, och att vi ser väldigt mycket fram emot det.

– Stefano Bonetti, Kondenserad materia och kvantoptik
– Anders Nilsson, Kemisk fysik

Läs: First step towards a Soft X-ray Laser at MAX IV Laboratory