1921, Albert Einstein fick Nobelpriset i fysik för upptäckten att ljus är kvantiserat, interagerar med materia som en ström av partiklar som kallas fotoner. Sedan dessa tidiga dagar av kvantmekanik, fysiker har känt till att fotoner också har rörelsemängd. Fotonens förmåga att överföra momentum användes i ett nytt tillvägagångssätt av forskare från Max Born Institute, Uppsala universitet och European X-ray Free-Electron Laser Facility för att observera en grundläggande process i interaktionen mellan röntgenstrålar och atomer. De detaljerade experimentella och teoretiska resultaten redovisas i tidskriften Vetenskap .

Absorption och emission av fotoner av atomer är grundläggande processer för ljusets interaktion med materia. Mycket sällsynta är processer där flera fotoner samtidigt interagerar med en atom. Tillgången till intensiva laserstrålar sedan 1960-talet har lett till utvecklingen av olinjär optik för att observera och utnyttja sådana processer.

Helt nya möjligheter dyker upp om det är möjligt att använda olinjär optik med röntgenstrålar istället för synligt ljus. Användningen av ultrakorta blixtar av röntgenstrålar möjliggör detaljerad insikt i rörelsen hos elektroner och atomkärnor i molekyler och fasta ämnen. Detta perspektiv var en av drivkrafterna som ledde till konstruktionen av röntgenlasrar baserade på partikelacceleratorer i flera länder. När den europeiska XFEL-röntgenfrielektronlasern började användas 2017, vetenskapssamfundet tog ett viktigt steg i den riktningen. Ändå, framstegen i användningen av icke-linjära röntgenprocesser för att studera fundamental interaktion med materia har varit långsammare än väntat. "Vanligtvis, de mycket starkare linjära processerna blockerar de intressanta olinjära processerna, " säger Prof. Ulli Eichmann från Max Born Institute for olinjär optik och kortpulsspektroskopi i Berlin.

Den tysk-svenska forskargruppen har nu demonstrerat en ny metod för att observera de olinjära processerna utan att störas av de linjära processerna. För detta ändamål, laget använde sig av det momentum som överförs mellan röntgenstrålar och atomer. När man korsar en supersonisk atomstråle med röntgenstrålen, de kan identifiera de atomer som har genomgått den så kallade stimulerade Raman-spridningsprocessen – en fundamental icke-linjär process där två fotoner med olika våglängder träffar en atom och två fotoner med den längre våglängden lämnar atomen. Resultaten rapporterades i tidskriften Vetenskap .

"Foton överför momentum till en atom - helt analogt med en biljardboll som träffar en annan, " förklarar Eichmann. I den stimulerade Ramanprocessen, båda fotonerna lämnar atomen i exakt samma riktning som de två infallande fotonerna, därför förblir atomens rörelsemängd och dess flygriktning i huvudsak oförändrade. De mycket mer frekventa linjära processerna, där en foton absorberas följt av emissionen av en annan foton, har en annan signatur:Eftersom den emitterade fotonen vanligtvis sänds ut i en annan riktning, atomen kommer att avböjas. Att observera atomernas riktning, forskarna kunde således tydligt skilja den stimulerade Ramanprocessen från andra processer.

"Den nya metoden öppnar unika möjligheter när den kombineras i framtiden med två tidsfördröjda röntgenpulser av olika våglängder. Sådana pulsmönster har nyligen blivit tillgängliga på röntgenlasrar som den europeiska XFEL, " förklarar Dr. Michael Meyer, forskare vid Europeiska XFEL.

Eftersom röntgenpulser med olika våglängder tillåter forskare att specifikt adressera särskilda atomer i en molekyl, det är möjligt att i detalj observera hur vågfunktionerna hos elektroner i molekyler utvecklas över tiden. I det långa loppet, forskarna hoppas inte bara kunna observera denna utveckling, utan att påverka den via skräddarsydda laserpulser. "Vårt tillvägagångssätt möjliggör en bättre förståelse av kemiska reaktioner på atomär skala och kan hjälpa till att styra reaktionerna i en önskad riktning. Eftersom elektronernas rörelse är det väsentliga steget i kemiska och fotokemiska reaktioner som inträffar t.ex. i batterier och solceller, vårt tillvägagångssätt kan ge ny insikt även i sådana processer, säger Jan-Erik Rubensson, professor vid Uppsala universitet.