Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben een manier uitgevonden om de bewegingen van elektronen te observeren met krachtige röntgenlaserbursts van slechts 280 attoseconden, of miljardsten van een miljardste van een seconde, lang.

De technologie, genaamd X-ray laser-enhanced attosecond pulse generation (XLEAP), is een grote vooruitgang waar wetenschappers al jaren naar toe werken, en het maakt de weg vrij voor baanbrekende studies over hoe elektronen die rond moleculen vliegen cruciale processen in de biologie initiëren, scheikunde, materiaalkunde en meer.

Het team presenteerde vandaag hun methode in een artikel in Natuurfotonica .

"Tot nu, we konden precies de bewegingen van atoomkernen waarnemen, maar de veel snellere elektronenbewegingen die chemische reacties veroorzaken, werden vervaagd, " zei SLAC-wetenschapper James Cryan, een van de hoofdauteurs van het artikel en een onderzoeker bij het Stanford PULSE Institute, een gezamenlijk instituut van SLAC en Stanford University. "Met dit voorschot we zullen een röntgenlaser kunnen gebruiken om te zien hoe elektronen zich verplaatsen en hoe dat het toneel vormt voor de chemie die volgt. Het verlegt de grenzen van ultrasnelle wetenschap."

Studies over deze tijdschalen zouden kunnen onthullen, bijvoorbeeld, hoe de absorptie van licht tijdens fotosynthese bijna onmiddellijk elektronen rondduwt en een cascade van veel langzamere gebeurtenissen in gang zet die uiteindelijk zuurstof genereren.

"Met XLEAP kunnen we röntgenpulsen met precies de juiste energie creëren die meer dan een miljoen keer helderder zijn dan de pulsen van een seconde met vergelijkbare energie, " zei SLAC-wetenschapper Agostino Marinelli, XLEAP-projectleider en een van de hoofdauteurs van de paper. "Het stelt ons in staat om zoveel dingen te doen die mensen altijd al wilden doen met een röntgenlaser - en nu ook op een tijdschaal van een seconde."

Een sprong voorwaarts voor ultrasnelle röntgenwetenschap

Eén attoseconde is een ongelooflijk korte tijdsperiode - twee attoseconden is tot een seconde zoals één seconde tot de leeftijd van het universum. In recente jaren, wetenschappers hebben veel vooruitgang geboekt bij het maken van attoseconde röntgenpulsen. Echter, deze pulsen waren ofwel te zwak of ze hadden niet de juiste energie om in te spelen op snelle elektronenbewegingen.

In de afgelopen drie jaar, Marinelli en zijn collega's hebben uitgezocht hoe een 14 jaar geleden voorgestelde röntgenlasermethode kan worden gebruikt om pulsen met de juiste eigenschappen te genereren - een inspanning die resulteerde in XLEAP.

In experimenten die werden uitgevoerd net voordat de bemanning begon te werken aan een belangrijke upgrade van SLAC's Linac Coherent Lightsource (LCLS) röntgenlaser, het XLEAP-team toonde aan dat ze nauwkeurig getimede paren attoseconde röntgenpulsen kunnen produceren die elektronen in beweging kunnen zetten en die bewegingen vervolgens kunnen registreren. Deze snapshots kunnen worden samengevoegd tot stop-actiefilms.

Linda Jong, een expert in röntgenwetenschap bij DOE's Argonne National Laboratory en de University of Chicago, die niet betrokken was bij het onderzoek, zei, "XLEAP is echt een grote vooruitgang. De attoseconde röntgenpulsen van ongekende intensiteit en flexibiliteit zijn een baanbrekend hulpmiddel om elektronenbeweging op individuele atomaire locaties in complexe systemen te observeren en te beheersen."

Röntgenlasers zoals LCLS genereren routinematig lichtflitsen die enkele miljoenste van een miljardste van een seconde duren, of femtoseconden. Het proces begint met het creëren van een elektronenstraal, die in korte bundels worden gebundeld en door een lineaire deeltjesversneller worden gestuurd, waar ze energie krijgen. Reizen met bijna de snelheid van het licht, ze gaan door een magneet die bekend staat als een undulator, waar een deel van hun energie wordt omgezet in röntgenstralen.

Hoe korter en helderder de elektronenbundels, hoe korter de röntgenflitsen die ze creëren, dus een benadering voor het maken van attoseconde röntgenpulsen is om de elektronen te comprimeren tot steeds kleinere bundels met een hoge piekhelderheid. XLEAP is een slimme manier om dat te doen.

Attoseconde röntgenlaserpulsen maken

Bij LCLS, het team plaatste twee sets magneten voor de undulator waarmee ze elke elektronenbundel in de vereiste vorm konden vormen:een intense, smalle piek die elektronen bevat met een breed scala aan energieën.

"Als we deze spikes sturen, die een pulslengte hebben van ongeveer een femtoseconde, door de undulator, ze produceren röntgenpulsen die veel korter zijn dan dat, " zei Joseph Duris, een SLAC-stafwetenschapper en co-eerste auteur van papier. De pulsen zijn ook extreem krachtig, hij zei, waarvan sommigen een piekvermogen van een halve terawatt bereiken.

Om deze ongelooflijk korte röntgenpulsen te meten, de wetenschappers ontwierpen een speciaal apparaat waarin de röntgenstralen door een gas schieten en een deel van zijn elektronen afstrippen, het creëren van een elektronenwolk. Circulair gepolariseerd licht van een infraroodlaser interageert met de wolk en geeft de elektronen een kick. Door de bijzondere polarisatie van het licht, sommige van de elektronen bewegen uiteindelijk sneller dan andere.

"De techniek werkt vergelijkbaar met een ander idee dat bij LCLS is geïmplementeerd, die tijd op hoeken in kaart brengt als de armen van een klok, " zei Siqi Li, een paper co-first-auteur en recente Stanford Ph.D. "Het stelt ons in staat om de verdeling van de elektronensnelheden en -richtingen te meten, en daaruit kunnen we de röntgenpulslengte berekenen."

Volgende, het XLEAP-team zal hun werkwijze verder optimaliseren, wat kan leiden tot nog intensere en mogelijk kortere pulsen. Ze bereiden zich ook voor op LCLS-II, de upgrade van LCLS die tot een miljoen röntgenpulsen per seconde zal afvuren - 8, 000 keer sneller dan voorheen. Hierdoor kunnen onderzoekers experimenten doen waarvan ze lang hebben gedroomd, zoals studies van individuele moleculen en hun gedrag op de snelste tijdschalen van de natuur.