Тэгвэл энэ лазер яаж ажилладаг вэ? Энгийнээр хэлбэл, бараг гэрлийн хурдтай электронуудыг тусгай соронзон орон (андулятор) дундуур гүйлгэнэ гэсэн үг. Энэ үед электронууд соронзон орны нөлөөгөөр муруй траектороор хөдөлж, хурдатгал олж авснаар өөрөөсөө гэрэл цацруулж эхэлнэ. Хамгийн сонирхолтой нь, цацарсан тэр гэрэл нь буцаад электронуудтайгаа харилцан үйлчлэлд орж, электронуудыг "микробагц" хэмээх нягтарсан судлуудад хуваадаг. Ингэж нэг хэмнэлд орсон электронуудын судлууд нэгэн зэрэг, нэг чиглэлд гэрэл цацруулснаар өндөр эрчимтэй, когерент чанартай лазерын туяа үүсгэдэг.1971 онд физикч Жон Мэйди энэхүү санааг онолын хувьд баталж, цаашид хэт ягаан болон рентген туяаг ч гарган авах боломжтой гэдгийг нотолсон нь шинжлэх ухааны ертөнцөд шинэ хуудас нээв. Төд удалгүй түүний багийнхан туршилт хийж, электроны урсгал ашиглан инфра-улаан туяаг амжилттай өсгөж чаджээ. Тэд үүгээр зогсохгүй, гадны ямар ч анхдагч гэрлийн эх үүсвэргүйгээр лазерын өсгөлтийг дотоод механизмаар бий болгодог бүрэн хэмжээний лазерын системийг амжилттай бүтээсэн.
Өнөө цагт ЧЭЛ-ын хэрэглээ эрдэмтдийн төсөөлж байснаас хамаагүй хол явлаа. Анх зөвхөн инфра-улаан мужид ажиллаж, молекулын бүтэц болон химийн урвалуудыг судлахад ашигладаг байв. Харин өнөөдөр судлаачдад илүү жижиг хэмжээний зүйлсийг харах шаардлага гарч, хэт ягаан болон рентген туяаны түвшинд ажилладаг илүү дэвшилтэт төхөөрөмжүүд хэрэгтэй болсон. Үүнийг онолын хувьд хийхэд хялбар мэт боловч, бодит байдал дээр богино долгионтой ажиллах нь техникийн хувьд их бэрхшээлтэй. Хамгийн энгийн жишээ нь, хэт өндөр эрчимтэй рентген туяа уламжлалт оптик толины материалыг хайлуулж, бас өндөр давтамжтай туяаг залуурдах (удирдах)-ад бэрхшээл үүснэ. Учир нь рентген туяа шиг шууд нэвтрээд гараад явчихна. Тиймээс эрдэмтэд энэ асуудлыг шийдэхийн тулд ямар ч толь ашиглах шаардлагагүйгээр албадмал цацаргалтыг өөрөө өсгөдөг "SASE" (Self-Amplified Spontaneous Emission) аргыг нийтлэг ашиглаж байна.
2005 онд Германд "FLASH", 2009 онд АНУ-д "LCLS" рентген ЧЭЛ-ууд ашиглалтад орсноор хэт хурдан процессуудыг судлах шинэ эрин эхэлсэн гэж үздэг. Үүний дараа Япон, Швейцар, Хятад зэрэг орнууд ижил төрлийн томоохон төвүүдийг байгуулж, рентген ЧЭЛ-ын технологийн хөгжүүлэлт эрчимтэй хөгжив. Эдгээр төхөөрөмжийн тусламжтайгаар судлаачид атом, молекулын хөдөлгөөн болон химийн урвалын явцыг фемтосекундын нарийвчлалтайгаар ажиглах боломжтой болсон нь бодисын дотоод динамикийг судлах цоо шинэ боломжийг нээсэн. Ялангуяа биологийн дээжийг судлахад "diffraction before destruction" буюу "эвдрэхээс нь өмнө дүрсжүүлэх" давуу талыг авчирсан. Рентген туяа маш өндөр энергитэй тул эс, вирус зэрэг эмзэг бүтцийг маш хурдан гэмтээдэг. Гэвч дээж задарч эхлэхээс өмнө тодорхой хугацааны чөлөө үүсдэг бөгөөд рентген ЧЭЛ-ын импульс энэ хугацаанаас ч богино, хэдхэн фемтосекундэд үргэлжилдэг. Иймээс дээж бүтцийн хувьд сарниж амжаагүй байх тэр агшинд дифракцын мэдээллийг бүртгэж, молекулын бүтцийг өндөр нарийвчлалтай тодорхойлох боломж бүрдэнэ. Энэ арга нь амьд биетийн эмзэг бүтцийг урьд өмнө байгаагүй нарийвчлалтайгаар судлах нөхцөлийг бий болгосон юм.
ЧЭЛ-ын хөгжил үүгээр зогсохгүй улам бүр сайжирсаар байна. Өмнө дурдсан "SASE" нь гэрлээ санамсаргүй байдлаар үүсгэдэг тул гарч ирж буй лазерын туяа нь хугацааны хувьд жигд хэмнэлтэй байж чаддаггүй дутагдалтай. Тиймээс эрдэмтэд лазерын туяаг илүү тогтвортой, цэгцтэй болгох, хүчийг нь нэмэгдүүлэх, мөн төхөөрөмжийн ажиллагааны үр ашгийг дээшлүүлэхийн тулд шинэ аргуудыг тасралтгүй туршсаар байна. Жишээлбэл, лазерын импульсийн тогтвортой байдлыг сайжруулах шинэ аргууд, лазер-плазмын технологид суурилсан цоо шинэ туршилтууд амжилттай хийгдэж ирлээ. Эдгээр шинэ технологи нэвтэрснээр ирээдүйд одоогийнх шиг нүсэр биш, илүү авсаархан, хямд өртөгтэй, олон судлаачдад хүртээмжтэй лазерын төвүүдийг байгуулах боломж бүрдэх төлөвтэй байна.
ЧЭЛ-ын цаашдын хөгжил нь хүн төрөлхтний шинжлэх ухааны ирээдүйг тодорхойлох нэгэн хэрэгцээ болон хувирч байна. Илүү тогтвортой, өндөр нарийвчлалтай, авсаархан хэмжээ бүхий системүүдийг бүтээх нь өнөөгийн технологийн чухал сорилт юм. Энэхүү төхөөрөмж нь хэт хурдан цөмийн процесс, бичил биологи, материал судлал, тэр дундаа нано-инженерчлэл болон квант физикийн судалгааны гол цөм, хөдөлгөгч хүч нь байх болно. ЧЭЛ-гүйгээр орчин үеийн шинжлэх ухааны дараагийн агуу нээлтүүдийг төсөөлөхийн аргагүй бөгөөд энэ нь байгаль ертөнцийн хамгийн гүн нууцыг тайлах түлхүүр байж ч болох юм.
Мэдээ бэлтгэсэн:
Квант физикийн тооцооллын лабораторын ЭШДаА Б. Хулан
Эх сурвалж: Nature Physics (2026).
https://doi.org/10.1038/s41567-026-03233-3
2026/05/13