In het eerste experiment om te profiteren van een nieuwe technologie voor het produceren van krachtige attoseconde röntgenlaserpulsen, een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University toonde aan dat ze elektronische rimpelingen in moleculen kunnen creëren via een proces dat 'impulsieve Raman-verstrooiing' wordt genoemd.

Door deze unieke interactie te benutten, kunnen wetenschappers bestuderen hoe elektronen die rond moleculen vliegen, belangrijke processen in de biologie op gang brengen, scheikunde, materiaalkunde en meer. De onderzoekers beschreven hun resultaten in: Fysieke beoordelingsbrieven .

Typisch, wanneer röntgenpulsen interageren met materie, zorgen de röntgenstralen ervoor dat de binnenste "kern" -elektronen van de moleculen naar hogere energieën springen. Deze kern-opgewonden toestanden zijn zeer onstabiel, vervallen in slechts een miljoenste van een miljardste van een seconde. In de meeste röntgenexperimenten, zo eindigt het verhaal:de aangeslagen elektronen keren snel terug naar hun rechtmatige plaats door hun energie over te dragen aan een naburig elektron, dwingt het uit het atoom en produceert een geladen ion.

Echter, met een voldoende korte en intense röntgenpuls, het atoom kan worden gedwongen om anders te reageren, nieuwe manieren openen om materie te meten en te beheersen. De röntgenstralen kunnen het kernelektron exciteren, maar dan ook een afgelegen elektron aandrijven om het gat te vullen. Hierdoor kan het molecuul in een aangeslagen toestand komen terwijl de atomen in een stabiele, neutrale staat. Aangezien dit Raman-proces afhankelijk is van elektronen op kernniveau, de elektronische excitatie is aanvankelijk sterk gelokaliseerd in het molecuul, waardoor het gemakkelijker wordt om de oorsprong te lokaliseren en de evolutie ervan te volgen.

"Als je denkt aan de elektronen van het molecuul als een meer, de Raman-interactie is vergelijkbaar met het nemen van een steen en het in het water gooien, ", zegt co-auteur en SLAC-wetenschapper James Cryan. "Deze 'excitatie' creëert golven die vanaf een specifiek punt over het oppervlak rimpelen. Op een soortgelijke manier, Röntgenexcitaties creëren 'ladingsgolven' die over het molecuul rimpelen. Ze bieden onderzoekers een geheel nieuwe manier om de reactie van een molecuul op licht te meten."

Pulsen van zichtbaar licht kunnen ook worden gebruikt om moleculen in aangeslagen toestand te creëren, maar die pulsen lijken meer op een kleine aardbeving die het hele wateroppervlak doet rimpelen. De impulsieve Raman X-ray excitatie geeft veel meer informatie over de eigenschappen van het molecuul, het equivalent van het laten vallen van stenen op verschillende plaatsen om verschillende rimpelpatronen te produceren en te observeren.

Eerdere LCLS-experimenten toonden het Raman-proces in atomen aan, maar tot nu toe heeft het observeren van dit proces in moleculen wetenschappers ontweken. Dit experiment slaagde dankzij recente ontwikkelingen in het produceren van X-ray free-electron laser (FEL) pulsen die 10 tot 100 keer korter zijn dan voorheen. Onder leiding van SLAC-wetenschapper Agostino Marinelli, het X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse-project (XLEAP) bood een methode om intense pulsen te genereren die slechts 280 attoseconden zijn, of miljardsten van een miljardste van een seconde, lang. Deze pulsen waren cruciaal voor het succes van het experiment en zullen wetenschappers in staat stellen om in de toekomst chemische reacties en coherente kwantumprocessen op gang te brengen.

"Dit experiment toont de unieke eigenschappen van attoseconde FEL's in vergelijking met ultramoderne lasergebaseerde attosecondebronnen, "Zegt Marinelli. "Het belangrijkste is dat dit experiment laat zien hoe nauwe samenwerking tussen acceleratorwetenschappers en de gebruikersgemeenschap kan leiden tot spannende nieuwe wetenschap."