Fig. 1 Schematisk över den nya metoden, baserad på fläckar av sammanhängande spridning. Upphovsman:Osaka University
Föreställ dig att ta filmer om de snabbaste kemiska processerna, eller avbilda detaljer i atomär skala av enskilda viruspartiklar utan att skada dem. Forskare från Japan har utvecklat den senaste tekniken i sådana ansträngningar, genom att förbättra användbarheten av en speciell röntgenlaser för mätningar i nanometerskala.
I en studie som nyligen publicerades i Journal of Synchrotron Radiation , forskare från Osaka University, i samarbete med RIKEN och Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), har reducerat stråldiametern i en röntgenfri elektronlaser till 6 nanometer i bredd. Detta förbättrar avsevärt användbarheten av dessa lasrar för att avbilda strukturer närmare atomnivån än vad som är möjligt i tidigare arbete.
Att "se" extremt små och annars osynliga föremål, och observera ultrasnabba kemiska processer, forskare använder vanligtvis synkrotronröntgenanläggningar. Röntgenfrielektronlasrar är ett alternativ som i princip kan avbilda detaljer i atomskala av, till exempel, en viruspartikel, på tidsskalan för en elektronövergång, utan att skada partikeln. Att göra detta, du behöver en otroligt ljus röntgenlaser som fokuserar extremt snabba laserpulser på nanometerskalan.
"Med flerskiktsfokuseringsspeglar, vi minskade bredden på vår laserstråle till en diameter på 6 nanometer, " säger huvudförfattaren till studien Takato Inoue. "Detta är inte riktigt diametern på en typisk atom, men vi gör bra framsteg."
Fig. 2 Samband mellan fläckformer och strålformer förvrängda av spegelfel. Mitten:skalstång, 50 nm. Nederst:skalstreck, 0,5 nm-1. Omtryckt med ändringar från motsvarande originalpapper. Upphovsman:Osaka University
Fig. 3 Jämförelse av fläckmönstren (vänster, skalstång =0,06 nm−1), och en jämförelse av den beräknade fläckformen (höger), före och efter exakt spegelinriktning. Omtryckt med ändringar från motsvarande originalpapper. Upphovsman:Osaka University
Tills nu, det har varit svårt att fokusera röntgenfrielektronlasrar till så små diametrar. Det beror på utmaningar med att tillverka de nödvändiga speglarna, och bekräftar den fokuserade storleken på lasrarna. Forskargruppen tog upp fokuseringsproblemet genom att analysera formen på laserns interferensmönster, kända som fläckprofiler.
"Vi genererade fläckprofiler genom koherent röntgenspridning av slumpmässigt fördelade metallnanopartiklar, " förklarar Satoshi Matsuyama, senior författare. "Detta möjliggjorde experimentella mätningar av laserstrålens profil, som stämde väl överens med teoretiska beräkningar."
Eftersom laserstrålens diameter kan mätas så exakt, ytterligare framsteg är nu möjliga. Till exempel, genom att använda atomer för spridningsanalysen, Röntgenfri-elektronlasermätningar kan förbättras till ett 1 nanometers fokus.
Forskarna räknar med att extremt högintensiva lasrar, över en miljon biljoner gånger ljusare än solen, kommer nu att vara användbar för att avbilda ultrasnabba molekylära processer – i detalj i atomskala – som ligger utanför de mest avancerade synkrotronernas kapacitet. Med sådan teknik, proteinmolekyler och andra små viktiga biologiska enheter kan avbildas utan att skada dem under strategin "diffraktion före destruktion, " genom att använda en enda laserpuls.
