1921, Albert Einstein ontving de Nobelprijs voor natuurkunde voor de ontdekking dat licht wordt gekwantiseerd, interactie met materie als een stroom deeltjes die fotonen worden genoemd. Sinds deze vroege dagen van de kwantummechanica, natuurkundigen weten dat fotonen ook momentum bezitten. Het vermogen van het foton om momentum over te dragen werd gebruikt in een nieuwe benadering door wetenschappers van het Max Born Institute, Uppsala University en de European X-ray Free-Electron Laser Facility om een ​​fundamenteel proces in de interactie van röntgenstraling met atomen te observeren. De gedetailleerde experimentele en theoretische resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap .

Absorptie en emissie van fotonen door atomen zijn fundamentele processen van de interactie van licht met materie. Veel zeldzamer zijn processen waarbij meerdere fotonen tegelijkertijd een interactie aangaan met één atoom. De beschikbaarheid van intense laserstralen sinds de jaren zestig heeft geleid tot de ontwikkeling van niet-lineaire optica voor het observeren en exploiteren van dergelijke processen.

Er ontstaan ​​geheel nieuwe mogelijkheden als het mogelijk is om niet-lineaire optica met röntgenstraling te gebruiken in plaats van zichtbaar licht. Het gebruik van ultrakorte flitsen van röntgenstraling geeft gedetailleerd inzicht in de beweging van elektronen en atoomkernen in moleculen en vaste stoffen. Dit perspectief was een van de drijvende krachten achter de constructie van röntgenlasers op basis van deeltjesversnellers in verschillende landen. Toen de Europese XFEL röntgenvrije-elektronenlaser in 2017 in gebruik werd genomen, de wetenschappelijke gemeenschap heeft een belangrijke stap in die richting gezet. Hoe dan ook, vooruitgang in het gebruik van niet-lineaire röntgenprocessen om fundamentele interactie met materie te bestuderen is langzamer dan verwacht. "Typisch, de veel sterkere lineaire processen sluiten de interessante niet-lineaire processen af, " zegt Prof. Ulli Eichmann van het Max Born Instituut voor niet-lineaire optica en korte puls spectroscopie in Berlijn.

Het Duits-Zweedse onderzoeksteam heeft nu een nieuwe methode gedemonstreerd om de niet-lineaire processen te observeren zonder gestoord te worden door de lineaire processen. Hiertoe, het team maakte gebruik van het momentum dat wordt overgedragen tussen röntgenstralen en atomen. Bij het kruisen van een supersonische atomaire bundel met de röntgenbundel, ze kunnen die atomen identificeren die het zogenaamde gestimuleerde Raman-verstrooiingsproces hebben ondergaan - een fundamenteel niet-lineair proces waarbij twee fotonen met verschillende golflengten een atoom raken en twee fotonen met de langere golflengte het atoom verlaten. De resultaten werden gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap .

"Fotonen brengen momentum over op een atoom - volledig analoog aan een biljartbal die een andere raakt, " legt Eichmann uit. In het gestimuleerde Raman-proces, beide fotonen verlaten het atoom in exact dezelfde richting als de twee invallende fotonen, vandaar dat het momentum van het atoom en zijn vluchtrichting in wezen onveranderd blijven. De veel frequentere lineaire processen, waarbij een foton wordt geabsorbeerd gevolgd door de emissie van een ander foton, een andere signatuur hebben:aangezien het uitgezonden foton typisch in een andere richting wordt uitgezonden, het atoom zal worden afgebogen. Kijkend naar de richting van de atomen, de wetenschappers konden het gestimuleerde Raman-proces dus duidelijk onderscheiden van andere processen.

"De nieuwe methode opent unieke mogelijkheden wanneer deze in de toekomst wordt gecombineerd met twee tijdvertraagde röntgenpulsen van verschillende golflengten. Dergelijke pulspatronen zijn onlangs beschikbaar gekomen bij röntgenlasers zoals de Europese XFEL, " legt Dr. Michael Meyer uit, onderzoeker bij het Europese XFEL.

Omdat röntgenpulsen met verschillende golflengten onderzoekers in staat stellen specifiek bepaalde atomen in een molecuul aan te pakken, het is mogelijk om in detail te observeren hoe de golffuncties van elektronen in moleculen in de tijd evolueren. Op lange termijn, de wetenschappers hopen niet alleen deze evolutie waar te nemen, maar om het te beïnvloeden via laserpulsen op maat. "Onze aanpak zorgt voor een beter begrip van chemische reacties op atomaire schaal en kan helpen om de reacties in een gewenste richting te sturen. Omdat de beweging van elektronen de essentiële stap is in chemische en fotochemische reacties die bijvoorbeeld plaatsvinden in batterijen en zonnecellen, onze aanpak kan ook nieuw inzicht geven in dergelijke processen, " zegt Jan-Erik Rubensson, hoogleraar aan de Universiteit van Uppsala.