Röntgenlasers met vrije elektronen, zoals de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, produceren intense röntgenpulsen waarmee onderzoekers biologische objecten kunnen afbeelden, zoals eiwitten en andere moleculaire machines, bij hoge resolutie. Maar deze krachtige stralen kunnen delicate monsters vernietigen, veranderingen teweegbrengen die de uitkomst van een experiment kunnen beïnvloeden en de resultaten ongeldig kunnen maken.

Om dit tegen te gaan, onderzoekers gebruiken een methode genaamd probe-before-destroy, waardoor ze nauwkeurige informatie uit monsters kunnen verzamelen in een oogwenk voordat ze uit elkaar worden geblazen, het genereren van afbeeldingen die informatie over de moleculaire structuur van biologische deeltjes zoals cellen, eiwitten en virussen. Maar tot voor kort, het was onduidelijk in hoeverre deze methode kon worden vertrouwd voor het meten van het gedrag van elektronen, omdat krachtige röntgenstralen elektronen veel sneller kunnen beïnvloeden dan atomen. Dit zou de toepasbaarheid van de techniek op ultrasnelle chemische processen kunnen beperken, zoals die betrokken bij katalyse.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van SLAC-wetenschappers Roberto Alonso-Mori, Dimosthenis Sokaras en Diling Zhu hebben een manier gevonden om een ​​precies idee te krijgen van hoe de röntgenstraal moet worden afgestemd om ervoor te zorgen dat de elektronische structuur niet wordt beschadigd voordat ze deze meten, wat meer vertrouwen geeft in de resultaten van XFEL-experimenten. In een eerste, het team observeerde hoe elektronen zich gedroegen in de eerste paar femtoseconden, of miljoenste van een miljardste van een seconde, nadat een ijzermonster werd bestraald met intense laserpulsen. hun resultaten, onlangs gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , demonstreren hoe specifieke eigenschappen van de röntgenstraal, zoals pulslengte of intensiteit, kan de buitenste elektronen van een atoom beïnvloeden, dat zijn degenen die deelnemen aan het maken en verbreken van bindingen tijdens chemische reacties.

De resultaten stellen wetenschappers in staat om pompsonde-experimenten te verfijnen, waarbij één laserpuls een reactie in een monster initieert en een röntgenpuls onmiddellijk de herschikking van de elektronen meet. Door de tijd tussen de laser en de röntgenpulsen te variëren, onderzoekers kunnen een reeks afbeeldingen maken en deze in een stop-motionfilmpje van deze kleine, snelle bewegingen, biedt inzicht in door licht geactiveerde chemische reacties.

"Deze experimenten zijn een belangrijk hulpmiddel in het onderzoeksprogramma van ons team, ", zegt Sokaras. "De mogelijkheid om zorgvuldig toegang te krijgen tot het 'aanvaardbare' bereik van LCLS-omstandigheden zal ons in staat stellen pompsondestudies uit te voeren die zowel betrouwbaar als ongekend zijn."

Het team werkte nauw samen met de LCLS-versnellergroep om zelfs kortere dan gebruikelijke röntgenpulsen te leveren om te bestuderen hoe de elektronen zich herschikten in de eerste paar femtoseconden van de ontploffing. Een elektronenbundel streak camera, de XTCAV, speelde een belangrijke rol bij het nauwkeurig meten van de lengte van de röntgenpulsen.

Alonso-Mori zegt, "De studie valideert methoden die de afgelopen jaren bij LCLS zijn gebruikt, het beslechten van het debat over de vraag of ze geldig zijn of dat de verzamelde gegevens al in de eerste paar femtoseconden zijn veranderd door de intense röntgenpulsen."

Om dit onderzoek op te volgen, het team hoopt de elektronische structuur met nog hogere intensiteit te onderzoeken, profiteren van de recente vooruitgang bij het vormgeven en beheersen van de röntgenstraal.

"Dit kan worden gebruikt om de beginfasen van processen voor de vorming van warme dichte materie bij XFEL's beter te begrijpen, " zegt Zhu, "die inzicht bieden in de vorming en evolutie van planetaire systemen."