Röntgenstralen maken het onzichtbare zichtbaar:ze maken het mogelijk om de structuur van materialen tot op het niveau van individuele atomen te bepalen. In de jaren vijftig waren het röntgenstralen die de dubbele helixstructuur van DNA aan het licht brachten. Met nieuwe röntgenbronnen, zoals de XFEL vrije-elektronenlaser in Hamburg, het is zelfs mogelijk om chemische reacties te "filmen". De resultaten die zijn verkregen uit onderzoeken die deze nieuwe röntgenbronnen gebruiken, staan ​​op het punt nog nauwkeuriger te worden. Een team rond Kilian Heeg van het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg heeft nu een manier gevonden om het spectrum van de röntgenpulsen die door deze bronnen worden uitgezonden nog smaller te maken. In tegenstelling tot standaard lasers, die licht van een enkele kleur en golflengte genereren, Röntgenbronnen produceren over het algemeen pulsen met een breed spectrum van verschillende golflengten. Scherpere pulsen zouden binnenkort toepassingen kunnen aansturen die voorheen niet haalbaar waren. Dit omvat het testen van natuurconstanten en het meten van lengtes en tijden nog nauwkeuriger dan nu mogelijk is.

Onderzoekers gebruiken licht en andere elektromagnetische straling voor de ontwikkeling van nieuwe materialen in de elektronica, auto's, vliegtuigen of elektriciteitscentrales, evenals voor studies over biomoleculen zoals eiwitfunctie. Elektromagnetische straling is ook het instrument bij uitstek voor het observeren van chemische reacties en fysische processen in het micro- en nanobereik. Verschillende soorten spectroscopie gebruiken verschillende individuele golflengten om karakteristieke oscillaties in specifieke componenten van een structuur te stimuleren. Welke golflengten interageren met de structuur – natuurkundigen gebruiken de term resonantie – zegt iets over hun samenstelling en hoe ze zijn opgebouwd; bijvoorbeeld, hoe atomen in een molecuul in de ruimte zijn gerangschikt.

In tegenstelling tot zichtbaar licht, die een veel lagere energie heeft, Röntgenstralen kunnen resonantie veroorzaken, niet alleen in de elektronenschil van een atoom, maar ook diep in de atoomkern, zijn kern. Röntgenspectroscopie levert daarmee unieke materiaalkennis op. In aanvulling, de resonanties van sommige atoomkernen zijn erg scherp, waardoor in principe uiterst nauwkeurige metingen mogelijk zijn.

Röntgenbronnen genereren ultrakorte flitsen met een breed spectrum

Moderne röntgenbronnen zoals de XFEL vrije elektronenlaser in Hamburg en de PETRA III (Hamburg), en ESRF (Grenoble) synchrotronbronnen zijn uitstekende kandidaten voor het uitvoeren van dergelijke studies. Met name vrije-elektronenlasers zijn geoptimaliseerd voor het genereren van zeer korte röntgenflitsen, die voornamelijk worden gebruikt om zeer snelle processen in de microscopische wereld van atomen en moleculen te bestuderen. Ultra korte lichtpulsen, echter, hebben op hun beurt een breed spectrum aan golflengten. Bijgevolg, slechts een klein deel van het licht heeft de juiste golflengte om resonantie in het monster te veroorzaken. De rest gaat dwars door het monster, waardoor spectroscopie van scherpe resonanties nogal inefficiënt is.

Het is mogelijk om met filters een zeer scherp röntgenspectrum te genereren, d.w.z. röntgenstralen van een enkele golflengte; echter, aangezien dit het verwijderen van ongebruikte golflengten betreft, het resulterende resonantiesignaal is nog steeds zwak.

De nieuwe methode ontwikkeld door de onderzoekers in Heidelberg levert een drie- tot viervoudige toename van de intensiteit van het resonantiesignaal op. Samen met wetenschappers van DESY in Hamburg en ESRF in Grenoble, Kilian Heeg en Jörg Evers van Christoph Keitel's Division en een team rond Thomas Pfeifer van het Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg zijn erin geslaagd om een ​​deel van de röntgenstraling die normaal niet met het monster zou interageren, bij te dragen aan het resonantiesignaal. Ze hebben hun methode met succes getest op ijzerkernen, zowel bij de ESRF in Grenoble als bij de PETRA III-synchrotron van DESY in Hamburg.

Een kleine schok versterkt de straling

De benadering van de onderzoekers om de röntgenstralen te versterken is gebaseerd op het feit dat, wanneer röntgenstralen interageren met ijzerkernen (of andere kernen) om resonantie te produceren, ze worden na een korte vertraging opnieuw uitgezonden. Deze opnieuw uitgezonden röntgenstraling loopt dan precies een halve golflengte achter op dat deel van de straling dat rechtdoor is gegaan. Dit betekent dat de pieken van de ene golf precies samenvallen met de dalen van de andere golf, met als gevolg dat ze elkaar opheffen. Deze destructieve interferentie verzwakt de röntgenpulsen op de resonantiegolflengte, wat ook de fundamentele oorsprong is van de absorptie van licht.

"We gebruiken het tijdvenster van ongeveer 100 nanoseconden voordat de ijzeren kernen de röntgenstralen opnieuw uitzenden, ", legt projectleider Jörg Evers uit. Gedurende dit tijdvenster, de onderzoekers verplaatsen de ijzerfolie met ongeveer 40 miljardste van een millimeter (0,4 angstrom). Deze kleine schok heeft tot gevolg dat er constructieve interferentie ontstaat tussen de uitgezonden en uitgezonden lichtgolven. "Het is alsof twee rivieren, de golven op de ene zijn een halve golflengte verschoven ten opzichte van de golven op de andere, voldoen aan, " zegt Evers, 'en je verschuift een van de rivieren precies deze afstand.' Dit heeft tot gevolg dat, nadat de rivieren elkaar ontmoeten, de golven op de twee rivieren bewegen in de tijd met elkaar. Golfpieken vallen samen met golfpieken en de golven versterken, in plaats van te verzwakken, elkaar. Deze truc, echter, werkt niet alleen op licht op de resonantiegolflengten, maar heeft ook het omgekeerde effect (d.w.z. verzwakking) op een breder bereik van golflengten rond de resonantiegolflengte. Kilian Heeg zegt het zo. "We persen anders ongebruikte röntgenstraling in de resonantie."

Om de natuurkundigen in staat te stellen de ijzerfolie snel genoeg en precies genoeg te verplaatsen, het is gemonteerd op een piëzo-elektrisch kristal. Dit kristal zet uit of krimpt in reactie op een aangelegde elektrische spanning. Met behulp van een speciaal ontwikkeld computerprogramma de in Heidelberg gevestigde onderzoekers waren in staat om het elektrische signaal dat het piëzo-elektrische kristal bestuurt aan te passen om de versterking van het resonantiesignaal te maximaliseren.

Toepassingen in lengtemeting en atoomklokken

De onderzoekers zien een breed scala aan mogelijke toepassingen voor hun nieuwe techniek. Volgens Thomas Pfeifer, de procedure zal het nut van nieuwe krachtige röntgenbronnen voor röntgenspectroscopie met hoge resolutie uitbreiden. Hierdoor kan nauwkeuriger worden gemodelleerd wat er in atomen en moleculen gebeurt. Pfeifer benadrukt ook het nut van de techniek in de metrologie, in het bijzonder voor zeer nauwkeurige metingen van lengtes en de kwantummechanische definitie van tijd. "Met röntgenfoto's, het is mogelijk om lengtes 10 te meten, 000 keer nauwkeuriger dan met zichtbaar licht, " legt Pfeifer uit. Hiermee kunnen nanostructuren zoals computerchips en nieuw ontwikkelde batterijen worden bestudeerd en geoptimaliseerd. Pfeifer denkt ook aan röntgenatoomklokken die veel nauwkeuriger zijn dan zelfs de meest geavanceerde optische atoomklokken van tegenwoordig op basis van zichtbaar licht.

niet in de laatste plaats, betere röntgenspectroscopie zou ons in staat kunnen stellen een van de grote onbeantwoorde vragen van de natuurkunde te beantwoorden - of fysieke constanten echt constant zijn of dat ze langzaam veranderen met de tijd. Als dat laatste waar zou zijn, resonantielijnen zouden in de loop van de tijd langzaam afdrijven. Extreem scherpe röntgenspectra zouden het mogelijk maken om over een relatief korte periode vast te stellen of dit het geval is.

Evers meent dat eenmaal volwassen, de techniek zou relatief eenvoudig te integreren zijn in experimenten bij DESY en ESRF. "Het moet mogelijk zijn om een ​​apparaat ter grootte van een schoenendoos te maken dat snel kan worden geïnstalleerd en, volgens onze berekeningen, zou een ongeveer 10-voudige versterking mogelijk maken, " hij voegt toe.