Met behulp van röntgenlaserpulsen kan de structuur van materie worden bestudeerd met een tot nu toe ongekende nauwkeurigheid. De pulsen zijn echter zo hevig dat ze het te bestralen monster vernietigen. Desalniettemin is een Pools-Japans team van natuurkundigen er net in geslaagd aan te tonen dat atomen van het onderzochte kristal met enige vertraging reageren op een lawine van fotonen. Door de ontdekking is het mogelijk om met voldoende korte laserpulsen een ongestoorde structuur van materie te zien.

Is het mogelijk om chemische reacties van complexe moleculen met subatomaire resolutie te zien? Het lijkt zo, maar alleen met het gebruik van vrije elektronenlasers (FEL). Dergelijke lasers zijn in staat röntgenpulsen te genereren met unieke eigenschappen:ze zijn niet alleen ultrakort, gemeten in enkele femtoseconden, maar ze bevatten ook heel veel fotonen. Na het bestralen van een monster met zo'n puls ontstaat een diffractiebeeld, waaruit natuurkundigen kunnen proberen de ruimtelijke structuur van de moleculen te reconstrueren. In deze benadering schuilt echter een zeer ernstig probleem.

"Wanneer we een monster bestralen met veel hoogenergetische fotonen, beginnen de atomen zo sterk met de straling te interageren dat het materiaal wordt vernietigd. Dus wat zien we in de opgenomen diffractiebeelden - de ware structuur van het monster of liever een beeld van zijn vernietiging?" vraagt ​​Prof. Beata Ziaja-Motyka van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau en het Centrum voor Vrije-Elektronenlaseronderzoek (CFEL) bij DESY in Hamburg.

Prof. Ziaja-Motyka is lid van een internationaal team van experimentele en theoretische fysici onder leiding van Dr. Ichiro Inoue van de Japanse RIKEN SPring-8 Center FEL-faciliteit. De groep bestudeert al enkele jaren de interactie van laser-röntgenpulsen met materie. In hun laatste artikel, dat verschijnt in Physical Review Letters , presenteren de wetenschappers de resultaten van werk aan processen zoals deze in het geval van korundnanokristallen bestaande uit zuurstof- en aluminiumatomen. Het experimentele deel werd uitgevoerd met behulp van de SACLA-röntgenlaser die in Hyogo, Japan werkt.

"Een uniek kenmerk van onze laser is het vermogen om pulsen van harde, dat wil zeggen, hoge energie-röntgenstralen te produceren die zowel ultrakort als van hoge intensiteit zijn. In ons onderzoek met korundnanokristallen gebruikten we pulsen van slechts zes femtoseconden. Dankzij de verzamelde gegevens konden we inschatten dat de kristalatomen beginnen te reageren op de fotonenstraal met een vertraging van 20 femtoseconden", zegt Dr. Inoue.

"De experimentele resultaten komen uitstekend overeen met de voorspellingen van onze modellen en simulaties, waar ook een vergelijkbare vertraging optreedt", zegt prof. Ziaja-Motyka, die samen met Dr. Victor Tkachenko (IFJ PAN) betrokken was bij de theoretische beschrijving en simulaties van de bestudeerde verschijnselen. "Wij geloven dat de belangrijkste reden voor deze vertraging het feit is dat de elektronen die zich in atomen bevinden die in de knooppunten van het kristalrooster zijn opgesloten, een beetje als een bumper werken en de eersten zijn die de impuls van de röntgenpuls opnemen," voegt Dr. Tkachenko toe.

De vertraagde respons van zuurstof- en aluminiumatomen in korund op de röntgenpuls blijkt een gevolg van de volgende gang van zaken. Wanneer fotonen met hoge energie het kristal binnenkomen, geven ze deze energie voornamelijk door aan de elektronen in de atomen die zijn ingebed in de knopen van het kristalrooster. Als gevolg van deze interactie worden elektronen massaal uit de atomen geslagen. Door het aanzienlijke massaverschil tussen de vrijgekomen elektronen en de ioniserende atomen voelen deze laatste de terugslag aanvankelijk niet. De atomen zelf, die tot nu toe elektrisch inert waren, worden echter sterk elektrisch geladen en beginnen afstoting te voelen van hun gelijkaardig geladen buren. Het is dit proces dat ongeveer 20 femtoseconden duurt. In een nog later stadium krijgen de ionen extra energie door interacties met de versnelde elektronen. Het uiteindelijke resultaat is de vernietiging van het monster.

In het verleden zijn systemen bestaande uit atomen van verschillende elementen al bestudeerd met X-ray FEL-lasers. Er werden echter pulsen met een duur van 15-20 femtoseconden gebruikt om ze te bestralen. Het is nu bekend dat het op zo'n tijdschaal is dat atomen in de systemen beginnen te reageren op pulsbestraling. Dit feit betekent dat de tot nu toe verkregen beelden structuren weergeven die al gedeeltelijk verstoord zijn door interactie met de laserstraal.

De overeenstemming van de reactietijden van atomen in het korundnanokristal op een röntgenpuls, gemeten in het laatste experiment, met die voorspeld door simulaties, stelt ons in staat optimistisch te overwegen verdere pogingen om andere, meer complexe systemen waar te nemen, vooral systemen die licht bevatten elementen, die de bouwstenen zijn van levende materie.

De structuur van eenvoudige nanokristallen, zoals korund, is reproduceerbaar. Bestaande symmetrieën maken het gemakkelijk om waarnemingen te doen, diffractiebeelden te analyseren en de reacties van monsters op laserpulsen te simuleren. Helaas zijn veel interessante structuren verstoken van symmetrie. Het verreikende doel van het werk van het Pools-Japanse team van natuurkundigen is daarom het ontwikkelen van methoden en het creëren van hulpmiddelen die beeldvorming en simulatie mogelijk maken van biologisch relevante systemen, zoals eiwitconglomeraten of afzonderlijke virussen.

"Momenteel vormen de tijden van het uitvoeren van computersimulaties een bijzondere uitdaging. Het gebrek aan symmetrie in monsters van biologisch belang dwingt ons om grote systemen te modelleren. Berekeningen kunnen dan vele maanden duren. We werken eraan om ze terug te brengen tot enkele uren, wat zou versnellen onderzoek op te voeren en de praktische toepassing ervan te vergemakkelijken", merkt prof. Ziaja-Motyka op. + Verder verkennen

Een nieuw venster in de wereld van attoseconde verschijnselen