Denna animation visar bildtekniken "sond före förstöring" som möjliggjorts av SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser. Till vänster, långvariga röntgenstrålar producerade av mer konventionella forskningsanläggningar kan förstöra eller skada prover när de passerar genom dem, vilket kan göra det utmanande att ta bilder av hög kvalitet innan skadan uppstår. Den ultraljusa, ultrakorta röntgenpulser vid LCLS, höger, kan samla in den information som behövs för att generera bilder direkt innan provet skadas, bevara de intakta egenskaperna hos partiklar som celler och virus. Kredit:Chris Smith/Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory
Röntgenfria elektronlasrar, såsom Linac Coherent Light Source (LCLS) vid Department of Energy:s SLAC National Accelerator Laboratory, producera intensiva röntgenpulser som gör att forskare kan avbilda biologiska objekt, såsom proteiner och andra molekylära maskiner, med hög upplösning. Men dessa kraftfulla strålar kan förstöra ömtåliga prover, utlösa förändringar som kan påverka resultatet av ett experiment och ogiltigförklara resultaten.
För att bekämpa detta, forskare använder en metod som kallas probe-before-destroy, vilket gör att de kan samla in exakt information från prover i ögonblicket innan de sprängs isär, genererar bilder som bevarar information om molekylstrukturen hos biologiska partiklar som celler, proteiner och virus. Men tills nyligen, det var oklart hur mycket denna metod kunde lita på för att mäta beteendet hos elektroner, eftersom kraftfulla röntgenstrålar kan påverka elektroner mycket snabbare än atomer. Detta kan begränsa teknikens tillämpbarhet på ultrasnabba kemiska processer, såsom de som är involverade i katalys.
Nu, ett team som leds av SLAC-forskarna Roberto Alonso-Mori, Dimosthenis Sokaras och Diling Zhu har hittat ett sätt att få en exakt uppfattning om hur man ställer in röntgenstrålen för att se till att den elektroniska strukturen inte skadas innan de mäter den, ger högre förtroende för resultaten av XFEL-experiment. I en första, laget observerade hur elektroner betedde sig under de första femtosekunderna, eller miljondelar av en miljarddels sekund, efter ett järnprov sprängdes med intensiva laserpulser. Deras resultat, nyligen publicerad i Vetenskapliga rapporter , visa hur specifika egenskaper hos röntgenstrålen, såsom pulslängd eller intensitet, kan påverka en atoms yttersta elektroner, som är de som deltar i att knyta och bryta bindningar under kemiska reaktioner.
Resultaten gör det möjligt för forskare att finjustera experiment med pumpsonder, där en laserpuls initierar en reaktion i ett prov och en röntgenpuls omedelbart mäter omarrangemanget av elektronerna. Genom att variera tiden mellan lasern och röntgenpulserna, forskare kan göra en serie bilder och sätta dem i en stop-motion-film av dessa små, snabba rörelser, ger insikter om ljusaktiverade kemiska reaktioner.
Den här illustrationen visar en optisk laserpuls (röd) och en röntgenlaserpuls (ljusblå) som träffar ett prov. Användningen av synkroniserade laserpulser i samma experiment, känd som "pumpsond" -tekniken, är vanligt för SLAC:s Linac Coherent Light Source X-ray laser, och ett tidsverktyg utvecklat av ett internationellt team tillåter mer exakta mätningar av ankomsttiden för laserpulser vid LCLS. Upphovsman:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Dessa experiment är ett nyckelverktyg i vårt teams forskningsprogram, "Säger Sokaras. "Förmågan att noggrant få tillgång till det "acceptabla" intervallet av LCLS-förhållanden kommer att tillåta oss att utföra pump-sondstudier som är både tillförlitliga och aldrig tidigare skådade."
Teamet arbetade nära LCLS-acceleratorgruppen för att leverera ännu kortare röntgenpulser än vanligt för att studera hur elektronerna ordnade om under de första femtosekunderna av sprängningen. En kamera med elektronstråle, XTCAV, var avgörande för att exakt mäta längden på röntgenpulserna.
Alonso-Mori säger, "Studien validerar metoder som har använts vid LCLS under de senaste åren, lösa debatten om de är giltiga eller om de insamlade uppgifterna redan har ändrats under de första femtosekunderna av de intensiva röntgenpulserna. "
För att följa upp denna forskning, teamet hoppas kunna undersöka den elektroniska strukturen med ännu högre intensitet, dra fördel av de senaste framstegen i att forma och kontrollera röntgenstrålen.
"Detta kan användas för att ytterligare förstå de inledande stadierna av processer för bildning av varma täta ämnen vid XFEL, "säger Zhu, "som ger insikt i bildandet och utvecklingen av planetsystem."
