Röntgenstrålar gör det osynliga synligt:​​de gör det möjligt att bestämma hur material är strukturerade ända ner till nivån för enskilda atomer. På 1950-talet var det röntgenstrålar som avslöjade dubbelhelixstrukturen hos DNA. Med nya röntgenkällor, såsom XFEL-frielektronlasern i Hamburg, det är till och med möjligt att "filma" kemiska reaktioner. Resultaten från studier med dessa nya röntgenkällor kan vara på väg att bli ännu mer exakta. Ett team kring Kilian Heeg från Max Planck-institutet för kärnfysik i Heidelberg har nu hittat ett sätt att göra spektrumet av röntgenpulserna som sänds ut av dessa källor ännu smalare. Till skillnad från vanliga lasrar, som genererar ljus av en enda färg och våglängd, Röntgenkällor producerar i allmänhet pulser med ett brett spektrum av olika våglängder. Skarpare pulser kan snart driva tillämpningar som tidigare inte var genomförbara. Detta inkluderar att testa fysiska konstanter och att mäta längder och tider ännu mer exakt än vad som kan uppnås i dagsläget.

Forskare använder ljus och annan elektromagnetisk strålning för att utveckla nya material i arbetet inom elektronik, bilar, flygplan eller kraftverk, samt för studier av biomolekyler som proteinfunktion. Elektromagnetisk strålning är också det bästa verktyget för att observera kemiska reaktioner och fysikaliska processer i mikro- och nanoområdet. Olika typer av spektroskopi använder olika individuella våglängder för att stimulera karakteristiska svängningar i specifika komponenter i en struktur. Vilka våglängder som interagerar med strukturen – fysiker använder termen resonans – säger oss något om deras sammansättning och hur de är uppbyggda; till exempel, hur atomer i en molekyl är ordnade i rymden.

I motsats till synligt ljus, som har mycket lägre energi, röntgenstrålar kan utlösa resonans inte bara i en atoms elektronskal, men också djupt inne i atomkärnan, dess kärna. Röntgenspektroskopi ger därför unik kunskap om material. Dessutom, resonanserna hos vissa atomkärnor är mycket skarpa, i princip tillåter extremt exakta mätningar.

Röntgenkällor genererar ultrakorta blixtar med ett brett spektrum

Moderna röntgenkällor som fria elektronlaser XFEL i Hamburg och PETRA III (Hamburg), och ESRF (Grenoble) synkrotronkällor är främsta kandidater för att utföra sådana studier. Särskilt frielektronlasrar är optimerade för att generera mycket korta röntgenblixtar, som främst används för att studera mycket snabba processer i den mikroskopiska världen av atomer och molekyler. Ultrakorta ljuspulser, dock, har i sin tur ett brett spektrum av våglängder. Följaktligen, endast en liten del av ljuset har rätt våglängd för att orsaka resonans i provet. Resten går rakt genom provet, vilket gör spektroskopi av skarpa resonanser ganska ineffektivt.

Det är möjligt att generera ett mycket skarpt röntgenspektrum – d.v.s. röntgenstrålar med en enda våglängd – med hjälp av filter; dock, eftersom detta innebär att oanvända våglängder tas bort, den resulterande resonanssignalen är fortfarande svag.

Den nya metoden som utvecklats av forskarna i Heidelberg ger en tre till fyrfaldig ökning av resonanssignalens intensitet. Tillsammans med forskare från DESY i Hamburg och ESRF i Grenoble, Kilian Heeg och Jörg Evers från Christoph Keitels division och ett team runt Thomas Pfeifer vid Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg har lyckats få en del av den röntgenstrålning som normalt inte skulle interagera med provet att bidra till resonanssignalen. De har framgångsrikt testat sin metod på järnkärnor både vid ESRF i Grenoble och vid PETRA III-synkrotronen hos DESY i Hamburg.

Ett litet ryck förstärker strålningen

Forskarnas tillvägagångssätt för att förstärka röntgenbilderna bygger på det faktum att, när röntgenstrålar interagerar med järnkärnor (eller andra kärnor) för att producera resonans, de sänds ut igen efter en kort fördröjning. Dessa återutsända röntgenstrålar ligger sedan exakt en halv våglängd efter den del av strålningen som har passerat rakt igenom. Detta betyder att topparna för en våg sammanfaller exakt med dalarna för den andra vågen, med resultatet att de tar bort varandra. Denna destruktiva interferens dämpar röntgenpulserna vid resonansvåglängden, vilket också är det grundläggande ursprunget för absorption av ljus.

"Vi använder tidsfönstret på cirka 100 nanosekunder innan järnkärnorna återutsänder röntgenstrålar, " förklarar projektledaren Jörg Evers. Under detta tidsfönster, forskarna flyttar järnfolien med cirka 40 miljarddelar av en millimeter (0,4 ångström). Denna lilla stöt har effekten av att producera konstruktiv interferens mellan de emitterade och transmitterade ljusvågorna. "Det är som om två floder, vågorna på den ena är förskjutna med en halv våglängd från vågorna på den andra, träffa, säger Evers, "och du flyttar en av floderna med exakt detta avstånd." Detta har den effekten att efter att floderna möts, vågorna på de två floderna rör sig i takt med varandra. Vågtoppar sammanfaller med vågtoppar och vågorna förstärks, snarare än att dämpa, varandra. Detta trick, dock, fungerar inte bara på ljus vid resonansvåglängderna, men har också den omvända effekten (d.v.s. dämpning) på ett bredare intervall av våglängder runt resonansvåglängden. Kilian Heeg uttrycker det så här. "Vi klämmer in annars oanvänd röntgenstrålning i resonansen."

För att fysikerna ska kunna flytta järnfolien tillräckligt snabbt och tillräckligt exakt, den är monterad på en piezoelektrisk kristall. Denna kristall expanderar eller drar ihop sig som svar på en pålagd elektrisk spänning. Med hjälp av ett speciellt utvecklat datorprogram, de Heidelberg-baserade forskarna kunde justera den elektriska signalen som styr den piezoelektriska kristallen för att maximera förstärkningen av resonanssignalen.

Tillämpningar inom längdmätning och atomur

Forskarna ser ett brett spektrum av potentiella tillämpningar för deras nya teknik. Enligt Thomas Pfeifer, proceduren kommer att utöka användbarheten av nya högeffekts röntgenkällor för högupplöst röntgenspektroskopi. Detta kommer att möjliggöra mer exakt modellering av vad som händer i atomer och molekyler. Pfeifer betonar också användbarheten av tekniken inom metrologi, i synnerhet för högprecisionsmätningar av längder och den kvantmekaniska definitionen av tid. "Med röntgen, det är möjligt att mäta längder 10, 000 gånger mer exakt än med synligt ljus, " förklarar Pfeifer. Detta kan användas för att studera och optimera nanostrukturer som datorchips och nyutvecklade batterier. Pfeifer tänker sig också röntgenatomklockor som är mycket mer exakta än till och med de mest avancerade optiska atomklockorna nuförtiden baserade på synligt ljus.

Inte minst, bättre röntgenspektroskopi skulle kunna göra det möjligt för oss att svara på en av fysikens stora obesvarade frågor – om fysiska konstanter verkligen är konstanta eller om de förändras långsamt med tiden. Om det sistnämnda vore sant, resonanslinjer skulle glida långsamt över tiden. Extremt skarpa röntgenspektra skulle göra det möjligt att avgöra om så är fallet under en relativt kort period.

Evers tror att en gång mogna, Tekniken skulle vara relativt lätt att integrera i experiment vid DESY och ESRF. "Det borde vara möjligt att tillverka en anordning i skokartong som snabbt kan installeras och, enligt våra beräkningar, skulle kunna möjliggöra en ungefär 10-faldig förstärkning, " han lägger till.