I mer än 100 år har vi har använt röntgenstrålar för att titta inuti materia och utvecklats till allt mindre strukturer-från kristaller till nanopartiklar. Nu, inom ramen för ett större internationellt samarbete om röntgenlasern European XFEL i Schenefeld nära Hamburg, fysiker vid Goethe -universitetet har uppnått ett kvalitativt steg framåt. Med hjälp av en ny experimentell teknik, de har kunnat röntga molekyler som syre och se deras rörelse i mikrokosmos för första gången.

"Ju mindre partikeln, desto större hammare. "Denna regel från partikelfysik, som ser inuti atomkärnornas inre med gigantiska acceleratorer, gäller även denna forskning. För att röntga en tvåatomers molekyl som syre, en extremt kraftfull och ultrakort röntgenpuls krävs. Detta tillhandahålls av den europeiska XFEL som startade sin verksamhet 2017 och är en av de starkaste röntgenkällorna i världen

För att avslöja enskilda molekyler, en ny röntgenteknik behövs också. Med hjälp av den extremt kraftfulla laserpulsen, molekylen rånas snabbt av två bundna elektroner. Detta leder till skapandet av två positivt laddade joner som plötsligt flyger ifrån varandra på grund av den elektriska avstötningen. Samtidigt, det faktum att elektroner också beter sig som vågor används med fördel. "Du kan tänka på det som ett ekolod, "förklarar projektledaren professor Till Jahnke från Institute for Nuclear Physics." Elektronvågen sprids av molekylstrukturen under explosionen, och vi registrerade det resulterande diffraktionsmönstret. Vi kunde därför i huvudsak röntga molekylen inifrån, och observera den i flera steg under uppbrottet. "

För denna teknik, känd som 'elektrondiffraktionsavbildning, 'fysiker vid Institute for Nuclear Physics ägnade flera år åt att vidareutveckla COLTRIMS -tekniken, som var tänkt där (och kallas ofta för ett 'reaktionsmikroskop'). Under överinseende av Dr Markus Schöffler, en motsvarande apparat modifierades för kraven i den europeiska XFEL i förväg, och designad och realiserad under en doktorsavhandling av Gregor Kastirke. Ingen enkel uppgift, som Till Jahnke konstaterar:"Om jag var tvungen att designa ett rymdskepp för att säkert flyga till månen och tillbaka, Jag skulle definitivt vilja ha Gregor i mitt lag. Jag är mycket imponerad av vad han åstadkommit här. "

Resultatet, som publicerades i det aktuella numret av den berömda Fysisk granskning X , ger det första beviset på att denna experimentella metod fungerar. I framtiden, fotokemiska reaktioner av enskilda molekyler kan studeras med hjälp av dessa bilder med sin höga tidsupplösning. Till exempel, det bör vara möjligt att observera reaktionen mellan en medelstor molekyl och UV-strålning i realtid. Dessutom, Detta är de första mätresultaten som har publicerats sedan starten på experimentstationen Small Quantum Systems (SQS) vid den europeiska XFEL i slutet av 2018.