I det första experimentet att dra nytta av en ny teknik för att producera kraftfulla attosecond-röntgenlaserpulser, ett forskarlag ledd av forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University visade att de kan skapa elektroniska krusningar i molekyler genom en process som kallas "impulsiv Raman-spridning".
Genom att utnyttja denna unika interaktion kommer forskare att kunna studera hur elektroner som snurrar runt molekyler startar nyckelprocesser inom biologi, kemi, materialvetenskap med mera. Forskarna beskrev sina resultat i Fysiska granskningsbrev .
Vanligtvis, när röntgenpulser interagerar med materia får röntgenstrålarna molekylernas innersta "kärna"-elektroner att hoppa till högre energier. Dessa kärnexciterade tillstånd är mycket instabila, förfaller på bara miljondelar av en miljarddels sekund. I de flesta röntgenexperiment, det är så historien slutar:De upphetsade elektronerna återvänder snabbt till sina rättmätiga platser genom att överföra sin energi till en angränsande elektron, tvingar ut den ur atomen och producerar en laddad jon.
Dock, med en tillräckligt kort och intensiv röntgenpuls, atomen kan tvingas att reagera annorlunda, öppnar upp för nya sätt att mäta och kontrollera materia. Röntgenstrålarna kan excitera kärnelektronen men sedan också driva en utanförliggande elektron för att fylla gapet. Detta gör att molekylen går in i ett exciterat tillstånd samtidigt som dess atomer hålls stabila, neutralt tillstånd. Eftersom denna Raman-process är beroende av elektroner på kärnnivå, den elektroniska excitationen är initialt mycket lokaliserad i molekylen, vilket gör det lättare att lokalisera dess ursprung och spåra dess utveckling.
"Om du tänker på molekylens elektroner som en sjö, Raman-interaktionen liknar att ta en sten och kasta den i vattnet, " säger medförfattaren och SLAC-forskaren James Cryan. "Denna "excitation" skapar vågor som krusar över ytan från en specifik punkt. På ett liknande sätt, Röntgenexcitationer skapar "laddningsvågor" som krusar över molekylen. De ger forskare ett helt nytt sätt att mäta en molekyls reaktion på ljus."
Pulser av synligt ljus kan också användas för att skapa exciterade tillståndsmolekyler, men de pulserna är mer som en liten jordbävning som krusar hela vattenytan. Den impulsiva Raman-röntgenexcitationen ger mycket mer information om molekylens egenskaper, motsvarigheten till att tappa stenar på olika platser för att producera och observera olika krusningsmönster.
Tidigare LCLS-experiment visade Ramanprocessen i atomer, men fram till nu har observation av denna process i molekyler undgått forskarna. Detta experiment lyckades på grund av den senaste utvecklingen för att producera röntgenfrielektronlaserpulser (FEL) 10 till 100 gånger kortare än tidigare. Leds av SLAC-forskaren Agostino Marinelli, X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse-projektet (XLEAP) gav en metod för att generera intensiva pulser som bara är 280 attosekunder, eller miljarddels miljarddels sekund, lång. Dessa pulser var avgörande för experimentets framgång och kommer att göra det möjligt för forskare att kickstarta kemiska reaktioner och sammanhängande kvantprocesser i framtiden.
"Detta experiment visar upp de unika egenskaperna hos attosecond FELs jämfört med toppmoderna laserbaserade attosecond-källor, " säger Marinelli. "Det viktigaste av allt, Detta experiment visar hur nära samarbete mellan acceleratorforskare och användargemenskapen kan leda till spännande ny vetenskap."
