Araştırmacılar, bu kadar küçük bir alana bu kadar çok X-ışını enerjisi sıkıştırarak, atom ve moleküllerin içindeki elektronların davranışını incelemek için yeni olanaklar açabilecek olağanüstü güçlü bir ışın yarattılar. Bu atılım, bilim insanlarının kimyasal reaksiyonlar sırasında elektronların hızlı hareketlerini gözlemlemelerine ve hatta onları kontrol etmeyi öğrenmelerine yardımcı olabilir.

Deney Nisan 2026’da gerçekleştirildi ve bulgular Optica adlı bilimsel dergide yayınlandı .

Rekor Kırıcı X-ışını Flaşları Sadece 300 Attosaniye Sürüyor

Tokyo Üniversitesi’nden ve yayının ilk yazarı olan Ichiro Inoue, “Bu, sert X-ışını attosaniye darbesi için yoğunluk ve akı açısından bir dünya rekoru” diyor.

Sert X ışınları, son derece kısa dalga boylarına sahip bir ışık türüdür. Bilim insanları, bu ışınların olağanüstü gücünü tanımlamak için iki ölçüm kullanırlar. Akı (fluence), belirli bir alana iletilen enerji miktarını ifade ederken, yoğunluk (intensity) ise bu enerjinin ne kadar hızlı iletildiğini de dikkate alır.

Bu deneyde, her bir X-ışını darbesinin yaklaşık 300 attosaniye sürdüğü tahmin edilmektedir (bir attosaniye, saniyenin milyarda birinin milyarda biridir). Bu inanılmaz derecede kısa flaşlar, araştırmacılara geleneksel gözlem için çok hızlı gelişen olayları inceleme olanağı sunmaktadır.

X ışınlarını yoğunlaştırmak için ekip, gelişmiş Kirkpatrick-Baez veya AKB sistemi adı verilen özel bir optik düzenek kullandı. Bu sistem, ışınları farklı yönlere odaklayan iki son derece hassas aynadan oluşmaktadır. Her bir darbe toplamda dört yansımaya uğradı; bir ayna X ışınlarını dikey, diğeri ise yatay olarak odakladı.

Sonuç olarak, yalnızca 180 × 330 nanometre (bir nanometre, metrenin milyarda biridir) ölçülerinde şaşırtıcı derecede küçük bir odak noktası elde edildi. Araştırmacılar, enerjiyi bu mikroskobik alana yönlendirerek rekor kıran bir yoğunluk elde etmeyi başardılar.

Çalışmanın baş yazarlarından biri olan DESY bilim insanı Jiawei Yan, “Birkaç yıl önce, Avrupa XFEL’de terawatt ölçeğinde sert X-ışını attosaniye darbeleri ürettik,” diyor. “Ancak güçlü darbeler üretmek sadece ilk adım. Deneyler için asıl önemli olan, numuneye ne kadar enerji aktarabildiğimizdir. Bu ilerlemeyle, artık attosaniye X-ışınlarını kullanarak X-ışınları ve madde arasındaki son derece doğrusal olmayan etkileşimleri inceleyebiliriz.”

Bu doğrusal olmayan etkileşimler, son derece yoğun X ışınlarının, maddenin normalde daha zayıf aydınlatma altında gerçekleşmeyecek şekillerde tepki vermesine neden olması durumunda ortaya çıkar. Bu tür etkilerin incelenmesi, atomların ve elektronların aşırı koşullar altında nasıl davrandığı hakkında yeni ayrıntılar ortaya çıkarabilir.

Bakır Atomlarının İçinde Olağanüstü Bir Tepkime

Araştırmacılar, X-ışını darbelerinin olağanüstü yoğunluğunu doğrulamak için, bunları ince bir bakır levhaya yönlendirdiler. Deney, odaklanmış flaşların santimetre kare başına 10²⁰ watt’ı aşan tepe yoğunluklarına ulaştığına dair bağımsız kanıt sağladı.

X ışınları bakıra çarptığında, atomların en içteki elektron kabuklarından elektronları dışarı atarak ‘boşluklar’ olarak bilinen pozisyonlar bıraktılar. Daha sonra atomların diğer kısımlarından gelen elektronlar bu boşluklara hareket ederek X ışını şeklinde enerji açığa çıkardılar.

Normal şartlar altında, yayılan bu ışık birçok farklı yöne doğru ilerler. Ancak, gelen X ışınları yeterince yoğunlaştığında, olağanüstü bir şey olur. Yayılan ışık, diğer uyarılmış bakır atomlarını aynı yönde ilerleyen ek X ışınları yaymaya teşvik ederek, güçlendirilmiş bir ışın oluşturur.

Bilim insanları bu olaya yükseltilmiş kendiliğinden emisyon veya ASE adını veriyor.

“Bunun gerçekleştiğini görmek neredeyse büyülü,” diyor çalışmanın yürütüldüğü MID cihazındaki grup lideri Anders Madsen. “Normal floresans, gelen ışın yönünden bağımsız olarak her yöne yayılır. Ancak ASE eşiği aşıldığında, ışık konisinin ileri yöne doğru yoğunlaşmaya başladığını görürsünüz.”

Ekip ayrıca aşırı yoğunluğun bir diğer önemli belirtisini de gözlemledi. X-ışını darbelerinin enerjisini artırdıkça, yükseltilmiş sinyal başlangıçta çok daha güçlü hale geldi. Ancak daha yüksek enerjilerde artış yavaşladı ve sonunda sabitlendi; bu davranış doygunluk olarak bilinir.

Bu desen yalnızca son derece yoğun X-ışını aydınlatması altında beklenir. Ortaya çıkışı, darbe enerjisi, süresi ve odaklanmış ışının büyüklüğünden hesaplanan rekor yoğunluğun ek bir teyidini sağlamıştır.

Elektronların Gizli Dünyasını Keşfetmenin Yeni Bir Yolu

Bu atılım, dünya rekoru kırmanın ötesinde, bilim insanlarının doğanın en hızlı süreçlerinden bazılarını araştırma yeteneklerini önemli ölçüde genişletebilir.

Elektronlar, atomların nasıl birbirine bağlandığını, moleküllerin nasıl etkileşime girdiğini ve kimyasal reaksiyonların nasıl gerçekleştiğini belirlemede merkezi bir rol oynar. Hareketleri son derece kısa zaman ölçeklerinde gerçekleştiğinden, onları doğrudan gözlemlemek zordur.

Araştırmacılar, son derece yüksek yoğunluklu ultra kısa X-ışını flaşlarını birleştirerek, gelen radyasyonun incelenen maddeyi önemli ölçüde değiştirmesine fırsat vermeden önce elektronlar hakkında bilgi yakalamayı umuyorlar. Bu, atom ve moleküllerin içindeki elektron davranışına dair daha net bir tablo sağlayabilir ve uzun vadede, kimyasal reaksiyonlar sırasında elektron hareketini etkileme yöntemlerine yol açabilir.

Rekor kıran deneyde kullanılan gelişmiş Kirkpatrick-Baez ayna sistemi Japonya’dan getirildi. Avrupa XFEL şu anda kendi AKB sistemini teslim almaya hazırlanıyor ve teslimatın 2027’nin başlarında gerçekleşmesi bekleniyor.

Yeni ekipman, Hamburg Üniversitesi ile yapılan iş birliği ve Federal Araştırma, Teknoloji ve Uzay Bakanlığı’nın (BMFTR) ek desteğiyle finanse ediliyor.

Sistem kurulup devreye alındıktan sonra, MID cihazını kullanan dünyanın dört bir yanından bilim insanlarının bu son derece kısa ve yoğun X-ışını flaşlarına erişim sağlaması bekleniyor. Geliştirilmiş yetenekler, araştırmacıların elektron davranışını daha önce elde edilmesi zor olan bir ayrıntı düzeyinde incelemelerine olanak tanıyarak, kimyasal reaksiyonların ardındaki temel süreçleri anlamalarına ve potansiyel olarak kontrol etmelerine daha da yaklaşmalarını sağlayabilir.