Wetenschappers hebben het snelste onderzoek ooit uitgevoerd naar hoe elektronen reageren op röntgenstraling, waarbij ze de vluchtige dynamiek van het proces in realtime vastleggen. Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, biedt inzicht in de fundamentele interacties tussen röntgenstraling en materie, met mogelijke implicaties voor vakgebieden als röntgenbeeldvorming, microscopie en materiaalkunde.

Röntgenstralen zijn een vorm van hoogenergetische elektromagnetische straling met golflengten die korter zijn dan ultraviolet licht. Wanneer röntgenstraling in wisselwerking staat met materie, kunnen ze elektronen losmaken van hun atomen, een proces dat bekend staat als ionisatie. De dynamiek van dit proces vindt plaats op ongelooflijk korte tijdschalen, gemeten in femtoseconden (een biljardste van een seconde).

Om deze ultrasnelle dynamiek vast te leggen, gebruikten onderzoekers een techniek die tijdsopgeloste foto-emissiespectroscopie wordt genoemd. Deze techniek combineert een röntgenlaser met een ultrakorte laserpuls om elektronen te exciteren en tegelijkertijd hun reactie te onderzoeken. De röntgenlaser levert een hoogenergetische puls van röntgenstralen om ionisatie te induceren, terwijl de ultrakorte laserpuls fungeert als stroboscooplicht, waardoor onderzoekers op verschillende tijdstippen momentopnamen kunnen maken van de elektronendynamiek.

Met behulp van deze aanpak is het team onder leiding van wetenschappers van het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamica van Materie in Hamburg, Duitsland, erin geslaagd de ionisatiedynamiek van kryptonatomen in realtime vast te leggen. De experimenten onthulden een gedetailleerd beeld van hoe de elektronen ontsnappen uit hun ouderatomen, wat waardevolle informatie opleverde over de onderliggende mechanismen en tijdschalen die daarbij betrokken waren.

De resultaten toonden aan dat het ionisatieproces stapsgewijs plaatsvindt, waarbij de elektronen aanvankelijk tussenliggende toestanden innemen voordat ze overgaan naar hogere energieniveaus of volledig uit het atoom ontsnappen. De timing van deze stappen zou met ongekende precisie kunnen worden bepaald, wat een dieper inzicht zou opleveren in de fundamentele interacties op atomair niveau.

De studie onthulde ook de rol van elektronencorrelatie in het ionisatieproces. Elektronencorrelatie verwijst naar de interacties en correlaties tussen verschillende elektronen binnen een atoom. Door de tijdsvertragingen tussen de ionisatiestappen te analyseren, vonden de onderzoekers bewijs van sterke correlatie-effecten die de dynamiek van elektronenemissie beïnvloeden.

Het onderzoek biedt kritische inzichten in de fundamentele interacties tussen röntgenstraling en materie, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor het verkennen en controleren van deze interacties. Het zou implicaties kunnen hebben voor verschillende gebieden, waaronder röntgenbeeldvormingstechnieken, zoals röntgenvrije-elektronenlasers, waarbij de ultrasnelle dynamiek van ionisatie een cruciale rol speelt bij beeldvorming.

Het begrijpen van deze dynamiek kan ook bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe materialen met op maat gemaakte elektronische eigenschappen en verbeterde prestaties voor toepassingen in de elektronica, energieopslag en katalyse. Door gebruik te maken van de kracht van tijdsopgeloste foto-emissiespectroscopie kunnen wetenschappers de geheimen van ultrasnelle elektronendynamica ontrafelen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor vooruitgang op verschillende wetenschappelijke en technologische grenzen.