Het vastleggen van frames van fotosynthese en andere moleculaire gymnastiek in actie betekent het bereiken van een sluitertijd die ervoor zorgt dat snel er heel, erg langzaam - zo snel dat natuurkundigen zich er nu juist naar toe werken.

Daarin schuilt een ander probleem:zelfs als ze het voor elkaar krijgen, ze weten het misschien niet. Natuurkundigen kunnen de bewegende moleculen niet precies zien en vergelijken wat ze vastleggen met wat ze zien. zoals ze zouden kunnen met een digitale foto van een scène op macroniveau. Dat is het leven bij het bestuderen van moleculen die veranderen en klikken en draaien in tijdframes die zo kort zijn dat seconden lijken op miljarden jaren.

Maar Colton Fruhling van de Universiteit van Nebraska-Lincoln en collega's van het Extreme Light Laboratory hebben een oplossing voorgesteld voor het tweede probleem dat van vitaal belang zou kunnen zijn wanneer hun collega-fysici erin slagen om het eerste volledig op te lossen.

De eerste omvat meestal het afvuren van bundels elektronen op moleculen - vaak terwijl ze de moleculen met een laser blitzen om een ​​fotochemische reactie te stimuleren - en vervolgens de manieren te meten waarop die elektronen van de moleculen buigen. Samen met ophopende hulp van theorie en wiskunde, die diffractiepatronen kunnen helpen bij het onderscheiden van de posities van de atomen en de lengte van de bindingen waaruit de moleculen bestaan, in wezen het vastleggen van frames van een fotochemische reactie die aan elkaar kunnen worden genaaid tot een pseudo-film.

De duur van een overeenkomstige elektronenbundel fungeert in feite als het laserfysica-equivalent van de sluitertijd. Net als bij een digitale camera, die sluitertijd moet op zijn minst overeenkomen met de snelheid van een onderwerp om het met echte getrouwheid vast te leggen. En wetende dat sluitertijd essentieel is om de legitimiteit van de resulterende frames te bevestigen.

Dat blijkt moeilijk te zijn als de chemische reacties van belang plaatsvinden in slechts femtoseconden of zelfs attoseconden. Eén femtoseconde is vergelijkbaar met één seconde zoals één seconde vergelijkbaar is met ongeveer 31 miljoen jaar; voor een attoseconde, het is ongeveer 31 miljard jaar, of ongeveer twee keer de geschatte leeftijd van het heelal.

Natuurkundigen hebben met succes methoden bedacht voor het meten van de duur van elektronenbundels die slechts enkele femtoseconden duren, maar geen attoseconden - de knipper-en-en-je hebt het gemist - 10 miljard keer snelheid waarmee veel chemische reacties plaatsvinden.

"Dus je moet een manier hebben om te meten dat je (werkt in) attoseconden, " zei Fruhling, een promovendus op weg om in het voorjaar van 2021 af te studeren. "Je ziet hoe snel een camerasluiter beweegt, omdat je ernaar kijkt. Daar zijn onze ogen snel genoeg voor. Maar je kunt geen attoseconde zien.

"Mensen willen deze attoseconde elektronenstraalbronnen, maar ze moeten er ook voor zorgen dat ze hen karakteriseren en ervoor zorgen dat ze echt op de tweede plaats komen, zodat we de wetenschap kunnen geloven die daaruit voortkomt."

Fruhling herkende uiteindelijk een mogelijke oplossing in de vorm van Thomson-verstrooiing, een fenomeen waar het Extreme Light Laboratory al jaren onderzoek naar doet. In de lineaire versie van het fenomeen, een laser-geslagen elektron zendt uiteindelijk licht uit met dezelfde frequentie, of kleur, als de laser zelf. In de niet-lineaire versie, de laser is zo intens dat het elektron begint te oscilleren in complexe banen met bijna de lichtsnelheid. Dat drijft het elektron om niet alleen de originele kleur uit te zenden, maar ook meerdere golflengten, of breedbandstraling.

Fruhling codeerde een model om die niet-lineaire versie te simuleren toen hij begon na te denken over hoe hij het zou kunnen gebruiken. Hij wist dat sommige methoden die worden gebruikt om femtoseconde-bundels te meten, afhankelijk zijn van het feit dat een andere meetbare eigenschap van golflengten - coherentie - zal veranderen afhankelijk van de grootte van de elektronenbundel zelf.

Samenhang beschrijft in feite de mate waarin de frequentie, vorm en andere kenmerkende eigenschappen van golven synchroniseren met elkaar. Het is de samenhang die resulteert in de gerichte, smalle bundel van een laser en onderscheidt deze van de onsamenhangende golflengten van andere lichtbronnen. En het gebeurt zo dat golflengten langer dan een elektronenbundel coherent zullen uitzenden, vergelijkbaar met een laser, terwijl die korter dan het stel onsamenhangend zullen uitzenden.

De grootte van de elektronenbundel bepalen - en door associatie, de duur ervan, of sluitertijd - dan wordt het een kwestie van het identificeren van de groottedrempel die de coherente en onsamenhangende lichtgolven scheidt. Helaas, lineaire Thomson-verstrooiing levert niet het juiste frequentiebereik op voor het meten van de ultrakorte maar matige snelheid elektronenbundels die nodig zijn om attoseconde reacties te onderzoeken.

Maar als het model van Fruhling klopt, de niet-lineaire, breedbandverstrooiing - het soort dat kan worden gegenereerd door een ultra-intensieve, nauwkeurig gekalibreerde laser - produceert frequenties in dat bereik. En als het zo is, hij zei, dat zou het bij uitstek geschikt maken voor het meten van de duur van attoseconde trossen.

"Dit is de enige methode die ik ken die dit kan doen, " zei Fruhling, die de conclusie samen met Donald Umstadter en Grigory Golovin rapporteerde in het tijdschrift Physical Review Accelerators and Beams.

Fruhling kwam niet gemakkelijk door de mijlpaal, meer dan drie jaar besteden aan het schrijven van code die het traject en de coherentie-effecten van elk elektron binnenin kan modelleren, zeggen, een 5, 000-elektronenbundel - een niveau van specificiteit dat ongeëvenaard is door een tegenhanger die hij is tegengekomen. Uiteindelijk vertaalde hij de code in drie programmeertalen, terwijl hij de interface verfijnde om hem bruikbaar te maken in een zo breed mogelijk scala van omstandigheden.

Nu moet hij gewoon wachten tot collega-fysici zijn bewering in het lab testen, en hopelijk verifiëren, door daadwerkelijk elektronenstralen te produceren die slechts attoseconden duren.

"Ik kan niet op mijn eigen hoorn toeren totdat het experimenteel is gedaan, ' zei Fruhling. 'Maar ik denk dat het heel nuttig kan zijn.'