Stel je voor dat je films maakt van de snelste chemische processen, of het in beeld brengen van details op atomaire schaal van afzonderlijke virusdeeltjes zonder ze te beschadigen. Onderzoekers uit Japan hebben de state-of-the-art in dergelijke inspanningen gevorderd, door de bruikbaarheid van een speciale röntgenlaser voor metingen op nanometerschaal te verbeteren.

In een recent gepubliceerd onderzoek in Journal of Synchrotron Straling , onderzoekers van de Universiteit van Osaka, in samenwerking met RIKEN en Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), hebben de bundeldiameter in een röntgenvrije-elektronenlaser teruggebracht tot 6 nanometer breed. Dit verbetert de bruikbaarheid van deze lasers aanzienlijk voor het afbeelden van structuren die dichter bij het atomaire niveau liggen dan mogelijk was in eerder werk.

Om extreem kleine en anderszins onzichtbare objecten te "zien", en observeer ultrasnelle chemische processen, onderzoekers gebruiken vaak synchrotron X-ray faciliteiten. Röntgenlasers met vrije elektronen zijn een alternatief dat - in principe - details op atomaire schaal kan weergeven van, bijvoorbeeld, een virusdeeltje, op de tijdschaal van een elektronentransitie, zonder het deeltje te beschadigen. Om dit te doen, je hebt een ongelooflijk heldere röntgenlaser nodig die extreem snelle laserpulsen op nanometerschaal focust.

"Met behulp van meerlaagse focusspiegels, we hebben de breedte van onze laserstraal teruggebracht tot een diameter van 6 nanometer, " zegt hoofdauteur van de studie Takato Inoue. "Dit is niet helemaal de diameter van een typisch atoom, maar we maken goede vorderingen."

Tot nu, het was moeilijk om röntgenvrije-elektronenlasers te focussen op zulke kleine diameters. Dat komt door de uitdagingen bij het maken van de vereiste spiegels, en het bevestigen van de gefocusseerde grootte van de lasers. Het onderzoeksteam heeft het focusprobleem aangepakt door de vorm van de interferentiepatronen van de laser te analyseren, zogenaamde spikkelprofielen.

"We hebben spikkelprofielen gegenereerd door coherente röntgenverstrooiing van willekeurig verdeelde metalen nanodeeltjes, " legt Satoshi Matsuyama uit, senior auteur. "Dit maakte experimentele metingen van het laserstraalprofiel mogelijk, die in goede overeenstemming waren met theoretische berekeningen."

Omdat de diameter van de laserstraal zo nauwkeurig kan worden gemeten, verdere vorderingen zijn nu mogelijk. Bijvoorbeeld, door atomen te gebruiken voor de verstrooiingsanalyse, X-ray vrije-elektronenlasermetingen kunnen worden verbeterd tot een focus van 1 nanometer.

De onderzoekers verwachten dat lasers met extreem hoge intensiteit, meer dan een miljoen biljoen keer helderder dan de zon, zal nu nuttig zijn voor het afbeelden van ultrasnelle moleculaire processen - op atomaire schaal - die de mogelijkheden van de meest geavanceerde synchrotrons te boven gaan. Met dergelijke technologie, eiwitmoleculen en andere kleine belangrijke biologische entiteiten kunnen worden afgebeeld zonder ze te beschadigen onder de strategie van "diffractie vóór vernietiging, " door een enkele laserpuls te gebruiken.