X-ray free-electron lasers (XFEL's) produceren ongelooflijk krachtige lichtstralen die ongekende studies mogelijk maken van de ultrasnelle bewegingen van atomen in materie. Om gegevens die met deze buitengewone lichtbronnen zijn genomen te interpreteren, onderzoekers hebben een goed begrip nodig van hoe de röntgenpulsen interageren met materie en hoe die interacties de metingen beïnvloeden.

Nutsvoorzieningen, computersimulaties door wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy suggereren dat een nieuwe methode willekeurige fluctuaties in de intensiteit van laserpulsen van hinderlijk in een voordeel zou kunnen veranderen, het vergemakkelijken van studies van deze fundamentele interacties. Het geheim is het toepassen van een methode die bekend staat als "ghost imaging, " die reconstrueert hoe objecten eruit zien zonder ooit hun afbeeldingen rechtstreeks vast te leggen.

"In plaats van te proberen XFEL-pulsen minder willekeurig te maken, wat de benadering is die we het vaakst volgen voor onze experimenten, we willen in dit geval eigenlijk willekeur gebruiken, " zei James Cryan van het Stanford PULSE Institute, een gezamenlijk instituut van Stanford University en SLAC. "Onze resultaten laten zien dat door dit te doen, we kunnen enkele van de technische uitdagingen omzeilen die gepaard gaan met de huidige methode voor het bestuderen van röntgeninteracties met materie."

Het onderzoeksteam publiceerde hun resultaten in Fysieke beoordeling X .

Profiteren van röntgenpieken

Wetenschappers kijken vaak naar deze interacties door middel van pomp-sonde-experimenten, waarin ze paren röntgenpulsen door een monster sturen. De eerste puls, de pomppuls genoemd, herschikt hoe elektronen in het monster worden verdeeld. De tweede puls, de sondepuls genoemd, onderzoekt de effecten die deze herschikkingen hebben op de bewegingen van de elektronen en atoomkernen van het monster. Door het experiment te herhalen met verschillende tijdsvertragingen tussen de pulsen, onderzoekers kunnen een stop-motionfilm maken van de kleine, snelle bewegingen.

Een van de uitdagingen is dat röntgenlasers lichtpulsen genereren in een willekeurig proces, zodat elke puls in feite een reeks smalle röntgenstralen is waarvan de intensiteit willekeurig varieert tussen de pulsen.

"Pomp-sonde-experimenten vereisen daarom meestal dat we eerst goed gedefinieerde, korte pulsen die minder willekeurig zijn, " zei Daniel Ratner van SLAC, hoofdauteur van de studie. "Bovendien moeten we de tijdsvertraging tussen hen heel goed beheersen."

Bij de nieuwe aanpak hij zei, "Daar hoeven we ons geen zorgen over te maken. We zouden röntgenpulsen gebruiken als ze uit de XFEL komen zonder verdere aanpassingen."

In feite, in deze nieuwe manier van denken kan elk paar spikes binnen een enkele röntgenpuls worden beschouwd als een paar pomp- en sondepulsen, dus onderzoekers konden veel pompsondemetingen doen met een enkele opname van de XFEL.

Spookachtige snapshots maken

Om snapshots van de moleculaire bewegingen van een monster te maken met deze methode, Ratner en zijn collega's willen de techniek van ghost imaging toepassen.

Bij conventionele beeldvorming licht dat op een object valt, produceert een tweedimensionaal beeld op een detector – of het nu de achterkant van uw oog, de megapixelsensor in uw mobiele telefoon of een geavanceerde röntgendetector. Geest beeldvorming, anderzijds, construeert een afbeelding door te analyseren hoe willekeurige lichtpatronen die op het object schijnen van invloed zijn op de totale hoeveelheid licht die van het object komt.

"In onze methode de willekeurige patronen zijn de fluctuerende piekstructuren van individuele XFEL-pulsen, " zei co-auteur Siqi Li, een afgestudeerde student aan SLAC en Stanford en hoofdauteur van een eerdere studie die spookbeeldvorming aantoonde met behulp van elektronen. "Om de beeldreconstructie te doen, we moeten het experiment vele malen herhalen - ongeveer 100, 000 keer in onze simulaties. Elke keer, we meten het pulsprofiel met een diagnostisch hulpmiddel en analyseren het signaal dat door het monster wordt uitgezonden."

In een computationeel proces dat ideeën ontleent aan machinaal leren, onderzoekers kunnen deze gegevens vervolgens omzetten in een visualisatie van de effecten van de röntgenpuls op het monster.

Een aanvullend hulpmiddel

Tot dusver, het nieuwe idee is alleen getest in simulaties en wacht op experimentele validatie, bijvoorbeeld bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Nog, de onderzoekers zijn er al van overtuigd dat hun methode een aanvulling zou kunnen zijn op conventionele pomp-sonde-experimenten.

"Als toekomstige tests succesvol zijn, de methode zou ons vermogen kunnen versterken om naar zeer fundamentele processen in XFEL-experimenten te kijken, Ratner zei. "Het zou ook een paar voordelen bieden die we zouden willen onderzoeken." Deze omvatten meer stabiliteit, snellere beeldreconstructie, minder monsterschade en het vooruitzicht om experimenten op snellere en snellere tijdschalen uit te voeren.