En ny hurtig røntgenteknik ved hjælp af ultrakorte elektronstråler

EU-finansierede forskere har udviklet en ny ultrahurtig røntgenteknik, som kan revolutionere vores forståelse af struktur og funktion på atom- og molekylært niveau.

Et forskerhold baseret i Tyskland bruger en ny kompakt hård røntgenkilde til at kaste nyt lys over vigtige spørgsmål inden for strukturel biologi.

Indtil nu ultrakorte elektronstråler, som har mange anvendelsesmuligheder inden for videnskabelig billeddannelse, kun kunne fremstilles af dyre, strømkrævende udstyr, som optog nogenlunde en bils plads. Et team hos Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), den tyske synkrotron, og Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA, har produceret en enhed på størrelse med en tændstikæske, som kunne åbne op for en lang række anvendelser for både akademikere og industri.

Som en del af det EU-finansierede AXSIS (Attosecond X-ray Science:Imaging and Spectroscopy) projekt, DESY holdet, sammen med universitetet i Hamburg, bruger nu denne enhed som fotoinjektor til en ny Attosecond-bordplade-frielektronlaser. Med dette, de optager korte sekvenser af kemikalier, fysisk og, først og fremmest, biologiske processer.

Livet er aldrig statisk, og mange af de vigtigste reaktioner inden for kemi og biologi er lysinducerede og forekommer på ultrahurtige tidsskalaer, ifølge forskerne. Disse reaktioner er blevet undersøgt med høj tidsopløsning primært ved ultrahurtig laserspektroskopi, men dette reducerer processens enorme kompleksitet til blot nogle få reaktionskoordinater.

Revolutionerer vores forståelse

AXSIS-teamet, ledet af Franz Kaertner, professor i fysik ved universitetet i Hamburg, har udviklet attosecond seriel krystallografi og spektroskopi, som kan give en fuld beskrivelse af ultrahurtige processer atomisk opløst i det virkelige rum og på det elektroniske energilandskab. De mener, at denne nye teknik vil vende vores forståelse af struktur og funktion på atom- og molekylært niveau på hovedet og hjælpe med at optrevle grundlæggende processer inden for kemi og biologi.

Teknikken involverer anvendelse af en fuldt kohærent attosekund røntgenkilde baseret på kohærent invers Compton spredning fra en fri-elektron krystal, udviklet af projektet, at overgå strålingsskadevirkninger forårsaget af den høje røntgenstråling, der er nødvendig for at fange diffraktionssignaler.

Optimering af instrumentering

Holdet bruger også dette fremskridt til at optimere hele instrumenteringen til grundlæggende målinger af lysabsorption og excitationsenergioverførsel. Dette inkluderer røntgenpulsparametre, i tandem med prøvelevering og krystalstørrelse samt avancerede røntgendetektorer.

Det endelige mål vil være at anvende de nye kapaciteter på nogle af de grundlæggende problemer i biologi, såsom at studere dynamikken i lysreaktioner, elektronoverførsel og proteinstruktur i fotosyntesen.

AXSIS-holdet offentliggjorde deres resultater for nylig i tidsskriftet Optica . Projektet har modtaget næsten 14 millioner euro i EU-støtte og skal fortsætte indtil juli 2020.