SwissFEL dosáhl vlnové délky 0,75 angstromu s elektrony o energii jen 6,2 GeV

Rentgenový laser na volných elektronech SwissFEL byl navržený tak, aby svítil nejkratší vlnovou délkou jeden angstrom. Tým kolem Eduarda Prata z Paul Scherrer Institutu (PSI) teď ukázal, že stroj zvládne 0,75 angstromu, a to bez jediného nového kusu urychlovače. Práce vyšla 11. září 2026 v Physical Review Letters jako otevřený článek. Podstatné na ní není samo číslo; pod jeden angstrom umí čtyři jiné rentgenové lasery na světě už roky. Podstatné je, s čím se k němu dostali: s elektronovým svazkem o energii 6,2 GeV a s undulátorem nastaveným na hodnotu, při které podle učebnic laserové zesílení skoro nepracuje.

Vlnovou délku určují tři čísla

Rentgenový laser na volných elektronech vyrábí světlo tak, že prožene svazek elektronů undulátorem, tedy řadou magnetů se střídavou polaritou, které elektrony rozkmitají do slalomu. Vlnová délka výsledného záření závisí na periodě magnetů, na energii elektronů a na bezrozměrném parametru K, který říká, jak silně magnety svazek vychylují. Kratší vlna se dá získat kratší periodou, vyšší energií, nebo nižším K. Jenže nižší K zároveň oslabuje vazbu mezi elektrony a světlem, a tím i zesílení. Běžné rentgenové lasery proto jezdí s K výrazně nad jedničkou a chybějící krátkou vlnu dohánějí energií svazku.

Na světě je pět zařízení, která svítí tvrdým rentgenem: americký LCLS, japonská SACLA, korejský PAL-XFEL, European XFEL v Hamburku a SwissFEL; šesté, čínský SHINE, se staví. Energie elektronů sahají od zhruba 6 GeV u SwissFELu po 17,5 GeV u European XFEL. Švýcarský stroj to dohání nejkratší periodou undulátoru, 15 milimetrů proti 40 milimetrům v Hamburku. Podle autorů dosud platilo, že záření pod jeden angstrom vyžaduje svazek s energií aspoň 8 GeV a K nejméně 1,5. SACLA se pod angstrom dostala s 8,3 GeV a undulátorem o osmnácti modulech.

Co v Aramisu naměřili

Měření proběhlo na tvrdé rentgenové větvi Aramis. Svazek o energii 6,18 GeV a náboji 200 pikocoulombů prošel třinácti undulátorovými moduly s periodou 15 milimetrů. Při K nastaveném na 1,104 vyšla vlnová délka 0,83 angstromu, tedy fotony o energii 15 keV, a energie pulzu 360 až 380 mikrojoulů. Při K 0,956 klesla vlnová délka na 0,75 angstromu (16,5 keV) a energie pulzu na 100 až 120 mikrojoulů. Obě čísla pocházejí z plynového monitoru; nezávislý odhad ze ztráty energie elektronů dal 418 a 128 mikrojoulů, což je v rámci nejistot totéž. Pod K 0,956 byla na stínítku pořád vidět stopa laserového světla, ale energie pulzu spadla pod 10 mikrojoulů, kde plynový monitor přestává měřit.

Že jde o laserové zesílení a ne o obyčejné synchrotronové záření, dokládá křivka zisku: energie pulzu rostla podél undulátoru exponenciálně s délkou zisku 2,7 metru u delší vlny a 3,0 metru u kratší a ke konci undulátoru se blížila nasycení. Simulace v programu Genesis dala 2,7 a 3,2 metru. Autoři přitom přiznávají, že první tři moduly ze třinácti k zesílení nepřispěly, nejspíš kvůli zbytkovým chybám dráhy svazku, takže činná délka undulátoru byla 38 metrů. Simulovaný špičkový výkon vyšel 30 gigawattů při 0,75 angstromu a 60 gigawattů při 0,83 angstromu, při délce pulzu kolem 25 femtosekund.

Energii svazku nahradila jeho kvalita

Klíč k výsledku je v elektronech, ne v magnetech. Svazek byl stlačený na špičkový proud 4 až 4,5 kiloampéru v jádru a až 8 kiloampérů v čele, zatímco v běžném provozu SwissFEL jezdí kolem 3 kiloampérů. Emitance, tedy míra toho, jak se svazek rozbíhá, přitom zůstala na 200 až 300 nanometrech v jádru. Právě kombinace vysokého proudu a malé emitance vyrovnala slabší vazbu při nízkém K. Zlepšení proti prvním letům provozu přičítají autoři hlavně nižšímu počátečnímu rozptylu energie, kterého dosáhli úpravou takzvaného laserového ohřívače v injektoru, a jemnému ladění optiky svazku. Rozptyl energie v jednotlivých řezech svazku během měřicích směn přímo neměřili a v práci ho odhadují ze starších měření; simulace přitom ukazuje, že změna tohohle rozptylu o čtvrtinu změní energii pulzu zhruba na dvojnásobek nebo na polovinu.

Stroj se k tomu propracoval postupně. SwissFEL byl navržený na nejvýš 5,8 GeV a jeden angstrom při K 1,2. V prvních letech provozu dával na jednom angstromu půl milijoulu s 6,2 GeV a K kolem 1,4. Po kampani přeměření a znovuvyrovnání undulátoru v listopadu 2024 překročil jeden milijoul na 12 keV; od téhle nastavené sestavy pak tým vlnovou délku postupně zkracoval až na 0,75 angstromu a při každém kroku znovu ladil kompresi svazku, dráhu v undulátoru, K jednotlivých modulů i fázové posuvníky.

Uživatelé na tom už měřili

Nejde jen o ukázku pro strojaře. Podnět podle poděkování v práci přišel od týmu stanice Cristallina, který chtěl kratší vlnu pro krystalografii. Režim se už použil v uživatelských experimentech s krystalografií malých molekul na 0,84 angstromu (14,7 keV), kde stroj během čtyřiadvacetihodinové směny dával typicky 350 mikrojoulů na pulz a 150 mikrojoulů v konfiguraci s širokým pásmem. Do řádné nabídky pro uživatele má režim vstoupit v příštích výzvách. Kratší vlna přináší ostřejší rozlišení v krystalografii, pronikne diamantovými kovadlinami při pokusech za vysokého tlaku a otevírá jaderné rezonance; nejznámější z nich, Mössbauerův přechod izotopu železa 57, leží na 14,4 keV, tedy na 0,86 angstromu, kam SwissFEL dřív nedosáhl.

Co z toho plyne pro příští stroje

Autoři z výsledku vyvozují obecnější závěr: když je svazek dost kvalitní, nemusí být dost energetický. S periodou 15 milimetrů a K 0,97 by podle nich šel jeden angstrom vyrobit už s 5,37 GeV místo 5,8 GeV z původního návrhu SwissFELu, a měkký rentgen o vlnové délce jeden nanometr s 1,69 GeV, zatímco plánovaný čínský S3FEL počítá s 2,5 GeV. Sami ale dodávají, že návrh celého zařízení by vyžadoval podrobné modelování délky nasycení a tolerancí, a že při nižším K klesá výkon záření; tvrzení, že jas zůstává zhruba stejný, je v práci označené jako kvalitativní odhad, ne měření.

Dvě věci z textu nevyčtete. Naměřená data nejsou veřejná, jsou k dispozici jen na vyžádání u autorů. A kalibrace parametru K, o kterou se celé měření opírá, je extrapolovaná ze starší kalibrace končící na hodnotě 1,2; nejistotu nastaveného K 0,956 udávají autoři na 0,048 a slibují kalibraci přímo pro podjednotkový režim. Naměřené vlnové délky se přitom od výpočtu z nastaveného K liší o méně než procento, takže nejistota kalibrace na hlavním výsledku nic nemění.

Zdroje

• E. Prat a kol.: Subangstrom Free-Electron Laser Operation with Undulator Deflection Parameter Reaching the Subunity Regime, Phys. Rev. Lett. 137, 115001 (otevřený přístup, plný text)
• C. Kittel a kol.: Enhancing hard X-ray beamline performance at SwissFEL through spontaneous radiation measurements, J. Synchrotron Rad. 33 (2026)
• T. Ishikawa a kol.: A compact X-ray free-electron laser emitting in the sub-ångström region, Nature Photonics 6, 540 (2012)
• PSI: SwissFEL, popis zařízení
• PSI: stanice Cristallina
• Wikipedia: SwissFEL (návrhový rozsah vlnových délek a délka zařízení)