단일 사이클 테라헤르츠파는 X-선 자유 전자 레이저에 의해서 조사된 네온 원자로부터 방출된 광전자들을 가속시킨다. 이렇게 함으로써 X-선 펄스의 일시적 프로파일 및 도착 시간은 펨토초 정밀도로 펄스 대 펄스 기준상에서 고유하게 얻어질 수 있다. 이 기술은 전세계의 어떤 X-선 자유전자 레이저에서도 구현될 수 있으며, 궁극적으로 가장 효과적으로 이런 소스를 이용할 수 있게 해준다. 이들의 연구 결과는 네이처 포토닉스 저널에 "Ultrafast X-ray pulse characterization at free-electron lasers"라는 제목으로 발표되었다.

단일 사이클 테라헤르츠 필드는 X-선 자유 전자 레이저에 의해 조사된 네온 원자로부터 방출된 광전자들을 가속시킨다. 이런 방법으로 X-선 펄스의 시간적 프로파일 및 도착 시간이 펨토초 정밀도로 펄스-펄스에 기초하여 얻어질 수 있다. 자유 전자 레이저에 의해 전달되는 X-선 펄스는 제공되는 펄스가 극도로 강력하고 짧기 때문에 독특한 연구 기회를 줄 수 있다. 자유 전자 레이저에서 X-선 포톤들은 단지 수십 펨토초 동안만 지속하는 또는 그 보다 더 짧은 시간 동안만 지속하는 펄스 안에 가득 차 있다.

그러나, 정확한 도착 시간 그리고 심지어 자유 전자 레이저 펄스의 시간 프로파일은 하나의 펄스에서 다음 펄스에 이르기까지 극적으로 변할 수 있다. 따라서 자유전자 레이저를 사용하여 초고속 동역학적 프로세스를 찍기 위해서는, 각 펄스의 도착 시간이 측정되어야만 한다. 그것을 이용하여 개개의 자유 전자 레이저 펄스로 포획된 개개의 프레임 또는 순간 포착 사진을 재정렬할 수 있다.

정확한 시간 정보가 주어지면, 펨토초 자유 전자 레이저 X-선 펄스는 운동 중인 원자, 화학 반응 및 재료 안에서의 상전이(phase transition) 등을 원자 분해능 수준으로 펨토초 스케일 상에서 연구할 수 있게 된다. 자유 전자 레이저 X-선 프로파일의 동시적인 측정으로, 한 단계 더 나아가 X-선 노출 안의 진화를 연구하는 것도 가능할 것이다. 이런 시간 스케일 상에서, 전자 및 전자 구조 상태 동역학의 움직임은 중요해진다. 전자 구조 동역학은 바이오분자에서 손상 프로세스를 일으키고, 이것은 결정 상세 이미진 안에서 그것들이 기록되기 전에 그것들을 파손 시킬 수 있다.

그들의 측정을 위해서, CFEL, DESY, 유럽 XFEL, 함부르크 대학 및 SLAC의 연구진은 "광전자 스트리킹(photoelectron streaking)"이라고 불리는 아토초 과학에서 사용되는 기술을 채택하였다. 아토초는 펨토초의 1/1000 이다. 이런 방법으로, 변하는 빛 신호의 시간적인 프로파일은 기록될 수 있다. 자유전자 레이저에서 이용 가능한 극도로 높은 세기를 이용하여, 연구진은 단일 측정 기반으로 연속적인 측정을 수행할 수 있었다. 이를 위해서, x-선 섬광은 목표에 도달하는 경로상에 차 있는 네온 가스를 통과하여 발사되었다.

각 펄스는 노블 가스로부터 광전자들을 방출시켰다. 광전자들의 시간적 프로파일은 그것들을 방출한 자유 전자 레이저 펄스의 복제이다. 전자기파 테라헤르츠 필드로, 광전자들은 그들의 정확한 방출 시간에 따라 가속되거나 감속된다. 이 효과의 세기는 시간 비행 분광기(time-of-flight spectroscopy)를 사용하여 측정된다. 테라헤르츠 펄스의 정확한 모양이 알려지면, 이 정보를 결합하여 약 5 펨토초의 정밀도로 각 x-선 펄스의 시간 프로파일과 도착시간을 알 수 있다.

모든 다른 자유전자 레이저 매개변수와 무관한, 도착 시간과 펄스 프로파일의 동시적인 측정이 이 기술의 핵심이라고 함부르크 대학의 교수이며 막스 플랑크 연구소 구조 동역학 연구분과의 그룹 리더인 카바리에리(Cavalieri)는 말하였다. 지금까지, 어떤 다른 측정도 이런 완전한 시간 정보를 제공하지 못하였다. 이런 독특한 X-선 광소스의 차세대 응용을 위해서 이런 정보는 매우 중요한 것이다.

이들 연구진에 의해 제시된 자유 전자 레이저 펄스 특성 측정은 자유 전자 레이저 빔에 영향을 미치지 않고 수행된다. 단지 광전자를 만드는 과정에서 무시할 만한 숫자의 포톤만이 손실된다. 따라서, 이 방법은 거의 모든 파장에서 어떤 실험에서도 적용될 수 있는 것이다. 예를 들면, 현재 북독일에서 건설 중인 유럽 XFEL에도 적용될 수 있다. 조만간, 레이저 구동 테라헤르츠 스트리킹은 자유전자 레이저 펄스 주기를 유지하고 모니터하는데 사용될 수 있을 것이다. 이를 통하여 다양한 원자, 분자 및 고체 상태 시스템을 연구할 수 있다. 차후 실험을 위해서, 이들 연구진은 이런 높은 정밀도 실험을 이용하여 X-선 펄스 프로파일을 조작하고 최적화시킬 계획이다.

첨부그림: 극도로 짧은 X-선 펄스로, 자유 전자 레이저는 운동 중인 화학 반응 또는 원자들을 관측할 수 있게 해준다. 그러나 이런 극도로 느린 운동에서 펄스의 도착 시간 및 시간 프로파일은 정확하게 알려져야 한다.