Forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory har upptäckt ett sätt att tredubbla mängden energi som genereras av världens mest kraftfulla röntgenlaser. Den nya tekniken, utvecklad vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS), kommer att göra det möjligt för forskare att observera atomstrukturen hos molekyler och ultrasnabba kemiska processer som tidigare var omöjliga att upptäcka i atomär skala.

Resultaten, publicerad i en 3 januari studie i Fysiska granskningsbrev ( PRL ), kommer att hjälpa till att ta itu med långvariga mysterier om fotosyntes och andra grundläggande kemiska processer inom biologi, medicin och materialvetenskap, enligt forskarna.

"LCLS producerar världens mest kraftfulla röntgenpulser, som forskare använder för att skapa filmer av atomer och molekyler i aktion, sa Marc Guetg, en forskarassistent vid SLAC och huvudförfattare till PRL-studien. "Vår nya teknik tredubblar kraften hos dessa korta pulser, möjliggör högre kontrast."

Magnetiska vickningar

Röntgenpulserna vid LCLS genereras genom att mata strålar av högenergielektroner genom en lång rad magneter. Elektronerna, som färdas nära ljusets hastighet, vicka fram och tillbaka när de passerar längs magneterna. Denna vickande rörelse får elektronerna att sända ut kraftfulla röntgenpulser som kan användas för nanoskala.

"När du avbildar en atomstruktur, du har ett lopp på gång, " sa studiens medförfattare Uwe Bergmann, en framstående stabsforskare vid SLAC. "Du behöver en tillräckligt stark röntgenpuls för att få en bra bild, men den pulsen kommer att förstöra själva strukturen som du försöker mäta. Dock, om pulsen är tillräckligt kort, ca 10 femtosekunder, du kan springa undan skadan. Du kan ta ögonblicksbilden innan patienten känner smärtan."

En femtosekund är en miljondels miljarddels sekund. Att generera röntgenpulser med hög effekt som bara varar i 10 femtosekunder har varit en stor utmaning.

"Knepet är att ha elektronerna packade så tätt som möjligt när de börjar vicka runt, " Guetg förklarade. "Det är svårt att göra, eftersom elektroner inte gillar varandra. De är alla negativt laddade, så de stöter bort varandra. Det är en kamp. Vi försöker ständigt tvinga dem att tillsammans, och de försöker hela tiden att flytta isär."

För att vinna striden, Guetg och hans SLAC-kollegor använde en speciell kombination av magneter utformade för att föra elektronerna närmare varandra innan de börjar sända ut röntgenstrålar.

"Ett problem när du komprimerar elektroner är att de börjar sparka varandra, " sa Guetg. "Som ett resultat, elektronstrålen lutar, vilket försämrar ljusproduktionen och därför kraften hos röntgenpulserna."

I tidigare studier, Guetg hade teoretiserat att korrigering av lutningen skulle komprimera elektronerna och producera kortare, mer kraftfulla utbrott av röntgenstrålar.

"Elektronstrålen är formad som en banan, " sa medförfattaren Zhirong Huang, en docent vid SLAC och vid Stanford University. "Vi korrigerade banans krökning för att göra den rak, pennliknande stråle."

Dramatiska resultat

Resultaten var dramatiska. Att räta ut strålen ökade kraften hos röntgenpulserna med 300 procent, och varje puls varade bara 10 femtosekunder.

"På ett genialiskt sätt, Marc och hans kollegor kunde komprimera dessa elektroner som en pannkaka innan de gled isär, ", sa Bergmann. "Det gjorde att de kunde skapa mycket korta röntgenpulser som är ungefär 1, 000 gånger kraftfullare än om du fokuserade allt solljus som träffar jorden på en kvadratcentimeter. Det är en otrolig kraft."

Bergmann har redan använt den nya tekniken för att skapa bilder i nanoskala av övergångsmetaller som mangan, vilket är nödvändigt för att klyva vatten för att bilda syremolekyler (O2) under fotosyntesen.

"Genom att tänja på gränsen för laservetenskap kan vi nu se mer och förhoppningsvis lära oss mer om kemiska reaktioner och molekylära processer, " han sa.

SLAC-teamet hoppas kunna bygga vidare på sina resultat i framtida experiment.

"Vi vill göra den nya tekniken operativ och robust så att alla kan använda den, ", sa Huang. "Vi vill också fortsätta att förbättra kraften med denna teknik och andra. Jag skulle inte kalla detta den sista gränsen."