Wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben een manier ontdekt om de hoeveelheid energie die wordt gegenereerd door 's werelds krachtigste röntgenlaser te verdrievoudigen. De nieuwe techniek, ontwikkeld bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS), zal onderzoekers in staat stellen de atomaire structuur van moleculen en ultrasnelle chemische processen te observeren die voorheen niet detecteerbaar waren op atomaire schaal.

De resultaten, gepubliceerd in een onderzoek van 3 januari in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ), zal helpen bij het oplossen van al lang bestaande mysteries over fotosynthese en andere fundamentele chemische processen in de biologie, geneeskunde en materiaalkunde, volgens de onderzoekers.

"LCLS produceert 's werelds krachtigste röntgenpulsen, die wetenschappers gebruiken om films te maken van atomen en moleculen in actie, " zei Marc Guetg, een onderzoeksmedewerker bij SLAC en hoofdauteur van de PRL-studie. "Onze nieuwe techniek verdrievoudigt de kracht van deze korte pulsen, een hoger contrast mogelijk maken."

Magnetische Wiggles

De röntgenpulsen bij LCLS worden gegenereerd door bundels van hoogenergetische elektronen door een lange reeks magneten te voeren. de elektronen, die met de snelheid van het licht reizen, wiebelen heen en weer terwijl ze langs de magneten gaan. Deze wiebelende beweging zorgt ervoor dat de elektronen krachtige röntgenpulsen uitzenden die kunnen worden gebruikt voor beeldvorming op nanoschaal.

"Als je je een atomaire structuur voorstelt, je hebt een race gaande, " zei co-auteur van de studie Uwe Bergmann, een vooraanstaande stafwetenschapper bij SLAC. "Je hebt een röntgenpuls nodig die sterk genoeg is om een ​​goed beeld te krijgen, maar die puls zal de structuur vernietigen die je probeert te meten. Echter, als de puls kort genoeg is, ongeveer 10 femtoseconden, je kunt de schade ontlopen. Je kunt de foto maken voordat de patiënt de pijn voelt."

Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde. Het genereren van krachtige röntgenpulsen die slechts 10 femtoseconden duren, was een grote uitdaging.

"De truc is om de elektronen zo dicht mogelijk bij elkaar te houden wanneer ze beginnen te wiebelen, " legde Guetg uit. "Het is moeilijk om te doen, omdat elektronen elkaar niet mogen. Ze zijn allemaal negatief geladen, dus stoten ze elkaar af. Het is een strijd. We proberen ze constant te dwingen om samen te werken, en ze proberen constant uit elkaar te gaan."

Om de strijd te winnen, Guetg en zijn SLAC-collega's gebruikten een speciale combinatie van magneten die zijn ontworpen om de elektronen dichter bij elkaar te brengen voordat ze röntgenstralen gaan uitzenden.

"Een probleem wanneer je elektronen comprimeert, is dat ze elkaar beginnen te schoppen, "Zei Guetg. "Als gevolg hiervan, de elektronenstraal wordt gekanteld, die de lichtproductie en dus de kracht van de röntgenpulsen schaadt."

In eerdere onderzoeken is Guetg had getheoretiseerd dat het corrigeren van de kanteling de elektronen zou comprimeren en kortere, krachtigere uitbarstingen van röntgenstralen.

"De elektronenstraal heeft de vorm van een banaan, " zei co-auteur Zhirong Huang, een universitair hoofddocent aan de SLAC en aan de Stanford University. "We hebben de kromming van de banaan gecorrigeerd om er een rechte, potloodachtige straal."

Dramatische resultaten

De resultaten waren dramatisch. Het rechttrekken van de bundel verhoogde de kracht van de röntgenpulsen met 300 procent, en elke puls duurde slechts 10 femtoseconden.

"Op een ingenieuze manier Marc en zijn collega's waren in staat om deze elektronen samen te drukken als een pannenkoek voordat ze uit elkaar dreven, "Zei Bergmann. "Daardoor konden ze zeer korte röntgenpulsen maken van ongeveer 1, 000 keer krachtiger dan wanneer je al het zonlicht dat de aarde raakt op één vierkante centimeter zou concentreren. Het is een ongelooflijke kracht."

Bergmann heeft de nieuwe techniek al gebruikt om afbeeldingen op nanoschaal te maken van overgangsmetalen zoals mangaan, wat essentieel is voor het splitsen van water om zuurstofmoleculen (O2) te vormen tijdens fotosynthese.

"Door de grens van laserwetenschap te verleggen, kunnen we nu meer zien en hopelijk meer leren over chemische reacties en moleculaire processen, " hij zei.

Het SLAC-team hoopt voort te bouwen op hun resultaten in toekomstige experimenten.

"We willen de nieuwe techniek operationeel en robuust maken, zodat iedereen het kan gebruiken, Huang zei. "We willen ook de kracht blijven verbeteren met deze techniek en andere. Ik zou dit niet de laatste limiet willen noemen."