Een team onder leiding van professor Frank Stienkemeier van Freiburg's Institute of Physics en Dr. Marcel Mudrich, professor aan de Universiteit van Aarhus in Denemarken, heeft de ultrasnelle reactie van nanodruppeltjes helium waargenomen na excitatie met extreem ultraviolette straling (XUV) met behulp van een vrije-elektronenlaser in realtime. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het laatste nummer van Natuurcommunicatie .

Lasers die zeer intensieve en ultrakorte XUV- en röntgenpulsen genereren, bieden onderzoekers nieuwe mogelijkheden om de fundamentele eigenschappen van materie tot in detail te onderzoeken. Bij veel van dergelijke experimenten materiaalmonsters in het nanometerbereik zijn van bijzonder belang. Sommige wetenschappers gebruiken heliumdruppeltjes van niet meer dan enkele nanometers als middel om ingebedde moleculen en moleculaire nanostructuren te transporteren en te bestuderen. Heliumdruppels zijn hiervoor bij uitstek geschikt omdat ze buitengewone eigenschappen bezitten. Bij een extreem lage temperatuur van slechts 0,37 graden boven het absolute nulpunt, ze bewegen wrijvingsloos en worden daarom als superfluïde beschouwd. Bovendien, heliumdruppeltjes zijn meestal inert voor de chemische processen van de ingebedde moleculen en zijn volledig transparant voor infrarood en zichtbaar licht.

Het team onder leiding van Stienkemeier en Mudrich wilde weten hoe een van deze supervloeibare druppeltjes zelf reageert wanneer ze rechtstreeks worden geraakt door een intense XUV-laserpuls. De onderzoekers gebruikten 's werelds eerste en enige gezaaide vrije-elektronenlaser FERMI in Triëst, Italië, die XUV-pulsen met hoge intensiteit levert op een door het team ingestelde golflengte. Ondersteund door modelberekeningen, identificeerden de onderzoekers drie elementaire reactiestappen:een zeer snelle lokalisatie van elektronen, de bevolking van metastabiele staten, en de vorming van een bel die uiteindelijk barst aan het oppervlak van de druppeltjes en een enkel opgewonden heliumatoom uitwerpt.

"Voor de eerste keer, we zijn erin geslaagd om deze processen direct te volgen in supervloeibaar helium, die in zeer korte tijd plaatsvinden, ", zegt Mudrich. "De resultaten helpen te begrijpen hoe nanodeeltjes interageren met energetische straling en vervolgens vervallen, " Stienkemeier voegt toe. "Dit is essentiële informatie voor het werk dat gericht is op het rechtstreeks in beeld brengen van individuele nanodeeltjes, " hij legt uit, "zoals het wordt uitgevoerd bij nieuwe intense stralingsbronnen zoals de Europese röntgenlaser XFEL in Hamburg."