Röntgenfrielektronlasrar (XFEL) producerar otroligt kraftfulla ljusstrålar som möjliggör oöverträffade studier av de ultrasnabba rörelserna hos atomer i materia. För att tolka data som tagits med dessa extraordinära ljuskällor, forskare behöver en gedigen förståelse för hur röntgenpulserna interagerar med materia och hur dessa interaktioner påverkar mätningar.

Nu, datasimuleringar av forskare från Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory föreslår att en ny metod kan göra slumpmässiga fluktuationer i intensiteten hos laserpulser från en olägenhet till en fördel, underlätta studier av dessa grundläggande interaktioner. Hemligheten är att tillämpa en metod som kallas "spökbildning, "som rekonstruerar hur föremål ser ut utan att någonsin spela in sina bilder direkt.

"Istället för att försöka göra XFEL -pulser mindre slumpmässiga, vilket är det tillvägagångssätt vi oftast följer för våra experiment, vi vill faktiskt använda slumpmässighet i det här fallet, "sa James Cryan från Stanford PULSE Institute, ett gemensamt institut vid Stanford University och SLAC. "Våra resultat visar att genom att göra det, vi kan komma runt några av de tekniska utmaningarna som är förknippade med den nuvarande metoden för att studera röntgeninteraktioner med materia. "

Forskargruppen publicerade sina resultat i Fysisk granskning X .

Dra nytta av röntgenpikar

Forskare tittar vanligtvis på dessa interaktioner genom pumpsond-experiment, där de skickar par röntgenpulser genom ett prov. Den första pulsen, kallade pumppulsen, ordnar om hur elektroner fördelas i provet. Den andra pulsen, kallade sondpulsen, undersöker vilka effekter dessa omläggningar har på rörelserna för provets elektroner och atomkärnor. Genom att upprepa experimentet med varierande tidsfördröjningar mellan pulserna, forskare kan göra en stop-motion-film av de små, snabba rörelser.

En av utmaningarna är att röntgenlasrar genererar ljuspulser i en slumpmässig process, så att varje puls faktiskt är ett tåg av smala röntgenpikar vars intensitet varierar slumpmässigt mellan pulser.

"Experiment med pumpsond kräver därför vanligtvis att vi först förbereder väldefinierade, korta pulser som är mindre slumpmässiga, "sa SLAC:s Daniel Ratner, studiens huvudförfattare. "Dessutom måste vi kontrollera tidsfördröjningen mellan dem mycket väl."

I det nya tillvägagångssättet, han sa, "Vi skulle inte behöva oroa oss för något av det. Vi skulle använda röntgenpulser när de kommer ut från XFEL utan ytterligare modifieringar."

Faktiskt, i detta nya sätt att tänka kan varje par spikar inom en enda röntgenpuls betraktas som ett par pump- och sondpulser, så forskare kunde göra många pumpsondmätningar med ett enda skott av XFEL.

Tar spöklika ögonblicksbilder

För att producera ögonblicksbilder av ett provs molekylrörelser med denna metod, Ratner och hans medarbetare vill tillämpa tekniken spökbildning.

Vid konventionell bildbehandling, ljus som faller på ett föremål ger en tvådimensionell bild på en detektor-oavsett om ögats baksida, megapixelsensorn i din mobiltelefon eller en avancerad röntgendetektor. Spökbild, å andra sidan, konstruerar en bild genom att analysera hur slumpmässiga ljusmönster som lyser på objektet påverkar den totala mängden ljus som kommer från objektet.

"I vår metod, de slumpmässiga mönstren är de fluktuerande spikstrukturerna för enskilda XFEL -pulser, "sa medförfattaren Siqi Li, en doktorand vid SLAC och Stanford och huvudförfattare till en tidigare studie som visade spökbildning med hjälp av elektroner. "För att göra bildrekonstruktionen, vi måste upprepa experimentet många gånger - cirka 100, 000 gånger i våra simuleringar. Varje gång, Vi mäter pulsprofilen med ett diagnostiskt verktyg och analyserar signalen som avges från provet. "

I en beräkningsprocess som lånar idéer från maskininlärning, forskare kan sedan förvandla dessa data till en visualisering av röntgenpulsens effekter på provet.

Ett kompletterande verktyg

Än så länge, den nya idén har testats endast i simuleringar och väntar på experimentell validering, till exempel vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, en användaranläggning för DOE Office of Science. Än, forskarna är redan övertygade om att deras metod kan komplettera konventionella pumpsond-experiment.

"Om framtida test är framgångsrika, metoden kan stärka vår förmåga att titta på mycket grundläggande processer i XFEL -experiment, "Ratner sa." Det skulle också ge några fördelar som vi skulle vilja utforska. "Dessa inkluderar mer stabilitet, snabbare bildrekonstruktion, mindre provskador och möjligheten att göra experiment vid snabbare och snabbare tidsskalor.