Het bestuderen van de vluchtige acties van elektronen in organische materialen zal nu veel gemakkelijker zijn, dankzij een nieuwe methode voor het genereren van snelle röntgenstralen.

De techniek betekent dat geavanceerde metingen van snelle reacties nu mogelijk zullen zijn in natuurkundige laboratoria over de hele wereld, zonder te hoeven wachten om dure en schaarse apparatuur te gebruiken. Het zou kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om lichtoogsttechnologieën zoals zonnepanelen en watersplitters te bestuderen en te verbeteren.

Bij 'zachte' röntgenstralen, buiten het bereik van ultraviolet licht, een voorwerp raken, ze worden sterk geabsorbeerd door sommige soorten atomen en niet door andere. Vooral, water is transparant voor deze röntgenstralen, maar koolstof absorbeert ze, waardoor ze bruikbaar zijn voor het afbeelden van organische en biologische materialen.

Echter, een uitdaging was om zeer snelle zachte röntgenstralen te genereren. Door pulsen van röntgenstralen te creëren die slechts een duizendste van een miljoenste van een miljoenste van een seconde duren, kunnen onderzoekers de extreem snelle bewegingen van elektronen in beeld brengen, cruciaal om te bepalen hoe ladingen reizen en reacties plaatsvinden.

Snelle zachte röntgenfoto's zijn gemaakt met grote faciliteiten, zoals miljarden dollars kostende vrije-elektronenlasers, maar nu heeft een onderzoeksteam van Imperial College London snelle en krachtige snelle zachte röntgenpulsen gegenereerd met behulp van standaard laboratoriumlasers. De methode, die heldere, zachte röntgenpulsen kan produceren die honderden attoseconden (kwintiljoenste van een seconde) duren, wordt vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Met de nieuwe techniek, onderzoekers kunnen de beweging van elektronen op hun natuurlijke tijdschaal bekijken, waardoor ze een dynamisch beeld krijgen van de kleinste en snelste reactiestappen.

Senior auteur professor Jon Marangos, van de afdeling natuurkunde van Imperial, zei:"De kracht van deze techniek is dat deze door veel natuurkundige laboratoria over de hele wereld kan worden gebruikt met lasers die ze al hebben geïnstalleerd.

"Deze ontdekking stelt ons in staat om voor het eerst metingen te doen op extreme tijdschalen. We bevinden ons aan de grenzen van wat we kunnen meten, sneller dan ooit processen zien die belangrijk zijn voor wetenschap en technologie."

Het genereren van röntgenstralen in een laboratorium vereist opwindende atomen totdat ze fotonen vrijgeven - lichtdeeltjes. Normaal gesproken, atomen in een lange, verspreide wolken worden in volgorde geëxciteerd zodat ze fotonen in 'fase' uitzenden, wat betekent dat ze optellen en een sterkere röntgenpuls creëren. Dit staat bekend als fase-aanpassing.

Maar als je op deze manier zachte röntgenstralen probeert te genereren, effecten in de wolk van atomen defocussen sterk de laser, fase-matching verstoren.

In plaats daarvan, ontdekte het team dat ze een dunne, dichte wolk van atomen en korte laserpulsen. Met deze opstelling, terwijl de fotonen over een lange afstand niet in fase konden blijven, ze waren nog steeds in fase over een kortere afstand en voor een korte tijd. Dit leidde tot een onverwacht efficiënte productie van de korte zachte röntgenpulsen.

Het team heeft verder de exacte effecten gemeten en gesimuleerd die in deze situatie hoge harmonische generatie veroorzaken, en konden op basis hiervan de optimale lasercondities voorspellen voor het creëren van een reeks röntgenstralen.

Hoofdonderzoeker Allan Johnson, van de afdeling natuurkunde van Imperial, zei:"We zijn erin geslaagd om te kijken in wat er was vóór de relatief zwarte doos van de generatie van zachte röntgenstralen, en gebruik die informatie om een ​​röntgenlaser op een tafel te bouwen die kan wedijveren met faciliteiten die een voetbalveld omspannen. Kennis is letterlijk macht in dit spel."

Het team van Imperial is van plan om de techniek te gebruiken om organische polymeermaterialen te bestuderen, in het bijzonder degenen die zonnestralen oogsten om energie te produceren of om water te splitsen. Deze materialen worden intensief bestudeerd omdat ze goedkopere hernieuwbare energie kunnen leveren.

Echter, veel momenteel gebruikte materialen zijn onstabiel of inefficiënt, door de werking van elektronen die door licht worden opgewekt. Nader onderzoek van de snelle interacties van deze elektronen zou waardevolle inzichten kunnen opleveren in methoden om zonnecellen en katalysatoren te verbeteren.