När forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory fokuserade hela intensiteten av världens mest kraftfulla röntgenlaser på en liten molekyl, de fick en överraskning:En enda laserpuls tog bort alla utom några elektroner ur molekylens största atom inifrån och ut, lämnar ett tomrum som började dra in elektroner från resten av molekylen, som ett svart hål som dricker en spiralskiva av materia.

Inom 30 femtosekunder - miljoner av en miljarddels sekund - förlorade molekylen mer än 50 elektroner, mycket mer än forskare förväntade sig baserat på tidigare experiment med mindre intensiva strålar, eller isolerade atomer. Sedan blåste det upp.

Resultaten, publicerad idag i Natur , ge forskare grundläggande insikter som de behöver för att bättre planera och tolka experiment med de mest intensiva och energiska röntgenpulserna från SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenfri elektronlaser. Experiment som kräver dessa ultrahöga intensiteter inkluderar försök att avbilda enskilda biologiska objekt, som virus och bakterier, vid hög upplösning. De används också för att studera materiens beteende under extrema förhållanden, och för att bättre förstå laddningsdynamik i komplexa molekyler för avancerade tekniska tillämpningar.

"För alla typer av experiment du gör som fokuserar intensiva röntgenstrålar på ett prov, du vill förstå hur det reagerar på röntgenstrålarna, "sa Daniel Rolles från Kansas State University." Detta dokument visar att vi kan förstå och modellera strålningsskadorna i små molekyler, så nu kan vi förutsäga vilken skada vi kommer att få i andra system. "

Som att fokusera solen mot en miniatyrbild

Experimentet, ledd av Rolles och Artem Rudenko från Kansas State, ägde rum vid LCLS:s Coherent X-ray Imaging instrument. CXI levererar röntgenstrålar med högsta möjliga energi som kan uppnås vid LCLS, kallas hårda röntgenstrålar, och registrerar data från prover direkt innan laserpulsen förstör dem.

Hur intensiva är dessa röntgenpulser?

"De är ungefär hundra gånger mer intensiva än vad du skulle få om du fokuserade allt solljus som träffar jordens yta på en miniatyrbild, "sade LCLS-personalvetare och medförfattare Sebastien Boutet.

Röntgenstrålar utlöser elektronkaskader

För denna studie, forskare använde speciella speglar för att fokusera röntgenstrålen till en plats drygt 100 nanometer i diameter - ungefär en hundradel av den som används i de flesta CXI -experiment, och tusen gånger mindre än bredden på ett människohår. De tittade på tre typer av prover:individuella xenonatomer, som har 54 elektroner vardera, och två typer av molekyler som var och en innehåller en enda jodatom, som har 53 elektroner.

Tunga atomer runt denna storlek är viktiga i biokemiska reaktioner, och forskare lägger dem ibland till biologiska prover för att öka kontrasten för bild- och kristallografitillämpningar. Men tills nu, ingen hade undersökt hur den ultraintensiva CXI-strålen påverkar molekyler med så tunga atomer.

Teamet ställde in energin för CXI -pulserna så att de selektivt skulle ta bort de innersta elektronerna från xenon- eller jodatomerna, skapa "ihåliga atomer". Baserat på tidigare studier med mindre energiska röntgenstrålar, de trodde att kaskader av elektroner från atomens yttre delar skulle falla ner för att fylla vakanserna, bara för att sparkas ut själva av efterföljande röntgenstrålar. Det skulle bara lämna några av de mest tätt bundna elektronerna. Och, faktiskt, det är vad som hände i både de fristående xenonatomerna och jodatomerna i molekylerna.

Men i molekylerna, processen slutade inte där. Jodatomen, som hade en stark positiv laddning efter att ha tappat de flesta av sina elektroner, fortsatte suga in elektroner från närliggande kol- och väteatomer, och dessa elektroner matades också ut, en och en.

Istället för att förlora 47 elektroner, som skulle vara fallet för en isolerad jodatom, jod i den mindre molekylen förlorade 54, inklusive de som den tog från sina grannar - en nivå av skada och störningar som inte bara är högre än normalt förväntas, men väsentligt annorlunda till sin karaktär.

Resultat matar in i teori för att förbättra experiment

"Vi tror att effekten var ännu viktigare i den större molekylen än i den mindre, men vi vet inte hur vi ska kvantifiera det ännu, "Rudenko sa." Vi uppskattar att mer än 60 elektroner sparkades ut, men vi vet faktiskt inte var det slutade eftersom vi inte kunde upptäcka alla fragment som flög iväg när molekylen föll sönder för att se hur många elektroner som saknades. Detta är en av de öppna frågorna vi behöver studera. "

För de data som har analyserats hittills, den teoretiska modellen gav utmärkt överensstämmelse med det observerade beteendet, ger förtroende för att mer komplexa system nu kan studeras, sa LCLS -direktören Mike Dunne. "Detta har viktiga fördelar för forskare som vill uppnå bilder med högsta upplösning av biologiska molekyler (t.ex. för att informera utvecklingen av bättre läkemedel). Dessa experiment guidar också utvecklingen av ett nästa generations instrument för LCLS-II-uppgraderingsprojektet, vilket kommer att ge ett stort kapacitetssteg på grund av ökningen av repetitionshastigheten från 120 pulser per sekund till 1 miljon. "