Med hjälp av röntgenlaserpulser kan materiens struktur studeras med tidigare oöverträffad noggrannhet. Men pulserna är så våldsamma att de förstör provet som bestrålas. Trots det har ett polsk-japanskt team av fysiker just lyckats visa att atomerna i kristallen som undersöks reagerar på en lavin av fotoner med en viss fördröjning. Upptäckten innebär att man genom att använda tillräckligt korta laserpulser kommer att kunna se en ostörd materiens struktur.

Är det möjligt att se kemiska reaktioner av komplexa molekyler vid subatomär upplösning? Det verkar så, men bara med användning av frielektronlasrar (FEL). Lasrar av denna typ kan generera röntgenpulser med unika egenskaper:de är inte bara ultrakorta, mätt i enstaka femtosekunder, utan de innehåller också en hel del fotoner. Efter att ha bestrålat ett prov med en sådan puls produceras en diffraktionsbild, från vilken fysiker kan försöka rekonstruera molekylernas rumsliga struktur. I detta tillvägagångssätt lurar dock ett mycket allvarligt problem.

"När vi bestrålar ett prov med massor av högenergifotoner börjar dess atomer att interagera med strålningen så starkt att materialet förstörs. Så vad ser vi i de inspelade diffraktionsbilderna - provets sanna struktur eller snarare en bild av dess förstörelse?" frågar prof. Beata Ziaja-Motyka från Institutet för kärnfysik vid Polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow och Center for Free-Electron Laser Research (CFEL) vid DESY i Hamburg.

Prof. Ziaja-Motyka är medlem i ett internationellt team av experimentella och teoretiska fysiker som leds av Dr. Ichiro Inoue från Japans RIKEN SPring-8 Center FEL-anläggning. Gruppen har under flera år studerat interaktionen mellan laserröntgenpulser och materia. I deras senaste papper, som visas i Physical Review Letters , presenterar forskarna resultaten av arbetet med processer som dessa i fallet med korundnanokristaller som består av syre- och aluminiumatomer. Den experimentella delen utfördes med hjälp av SACLA röntgenlaser som arbetar i Hyogo, Japan.

"En unik egenskap hos vår laser är dess förmåga att producera pulser av hårda, det vill säga högenergi-röntgenstrålar som är både ultrakorta och av hög intensitet. I vår forskning med korund nanokristaller använde vi pulser som varar bara sex femtosekunder. De insamlade data gjorde det möjligt för oss att uppskatta att kristallatomerna börjar reagera på fotonstrålen med en fördröjning på 20 femtosekunder", säger Dr. Inoue.

"De experimentella resultaten överensstämmer utmärkt med förutsägelserna från våra modeller och simuleringar, där en liknande fördröjning också uppträder", säger Prof. Ziaja-Motyka, som tillsammans med Dr Victor Tkachenko (IFJ PAN) var involverad i den teoretiska beskrivning och simuleringar av de studerade fenomenen. "Vi tror att huvudorsaken till denna fördröjning är det faktum att elektronerna som finns i atomer som är fångade i noderna i kristallgittret fungerar lite som en stötfångare och är de första som tar upp impulsen från röntgenpulsen." tillägger Dr. Tkachenko.

Det fördröjda svaret av syre- och aluminiumatomer i korund på röntgenpulsen visar sig vara en konsekvens av följande händelseförlopp. När fotoner med hög energi kommer in i kristallen överför de denna energi huvudsakligen till elektronerna i atomerna som är inbäddade i kristallgittrets noder. Som ett resultat av denna interaktion slås elektroner massivt ut ur atomerna. På grund av den betydande massaskillnaden mellan de frigjorda elektronerna och de joniserande atomerna känner de senare inte rekylen till en början. Men själva atomerna, som hittills varit elektriskt inerta, blir starkt elektriskt laddade och börjar känna avstötning från sina likadant laddade grannar. Det är denna process som tar cirka 20 femtosekunder. I ett ännu senare skede får jonerna ytterligare energi genom interaktioner med de accelererade elektronerna. Slutresultatet är förstörelsen av provet.

Tidigare har system som består av atomer av olika grundämnen redan studerats med röntgen-FEL-lasrar. Emellertid användes pulser med varaktigheter på 15–20 femtosekunder för att bestråla dem. Det är nu känt att det är på just en sådan tidsskala som atomer i systemen börjar svara på pulsbestrålning. Detta faktum innebär att bilderna som erhållits hittills har representerat strukturer som redan delvis har störts av interaktion med laserstrålen.

Överensstämmelsen mellan reaktionstiderna för atomer i korundnanokristallen till en röntgenpuls, uppmätt i det senaste experimentet, med de som förutspåtts av simuleringar, tillåter oss att optimistiskt överväga ytterligare försök att observera andra, mer komplexa system, särskilt de som innehåller ljus element, som är byggstenarna i levande materia.

Strukturen hos enkla nanokristaller, såsom korund, är reproducerbar. Befintliga symmetrier gör det enkelt att göra observationer, analysera diffraktionsbilder och simulera provernas reaktioner på laserpulser. Tyvärr saknar många intressanta strukturer symmetri. Det långtgående målet med det polsk-japanska teamet av fysikers arbete är därför att utveckla metoder och skapa verktyg som möjliggör avbildning och simulering av biologiskt relevanta system, såsom proteinkonglomerat eller enstaka virus.

"För närvarande utgör tiderna för att utföra datorsimuleringar en särskild utmaning. Bristen på symmetri i prover av biologiskt intresse tvingar oss att modellera stora system. Beräkningar kan sedan ta många månader. Vi arbetar med att reducera dem till enstaka timmar, vilket skulle snabba upp upp forskning och underlätta dess praktiska tillämpning", konstaterar Prof. Ziaja-Motyka. + Utforska vidare

Ett nytt fönster in i världen av attosecond-fenomen