Verdens mest kraftfulde røntgenlaser skaber molekylært sort hul

Da forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory fokuserede hele intensiteten af ​​verdens mest kraftfulde røntgenlaser på et lille molekyle, de fik en overraskelse:En enkelt laserpuls fjernede alle undtagen et par elektroner ud af molekylets største atom indefra og ud, efterlader et tomrum, der begyndte at trække elektroner ind fra resten af ​​molekylet, som et sort hul, der sluger en spiralskive af stof.

Inden for 30 femtosekunder - milliontedele af en milliardtedel af et sekund - mistede molekylet mere end 50 elektroner, langt mere end forskere forventede baseret på tidligere forsøg med mindre intense stråler, eller isolerede atomer. Så blæste det op.

Resultaterne, udgivet i dag i Natur , give forskere grundlæggende indsigt, de har brug for til bedre at planlægge og fortolke eksperimenter ved hjælp af de mest intense og energiske røntgenpulser fra SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenfri-elektronlaser. Eksperimenter, der kræver disse ultrahøje intensiteter, omfatter forsøg på at afbilde individuelle biologiske objekter, såsom vira og bakterier, ved høj opløsning. De bruges også til at studere stoffets adfærd under ekstreme forhold, og for bedre at forstå ladningsdynamikken i komplekse molekyler til avancerede teknologiske applikationer.

"For enhver form for eksperiment du laver, der fokuserer intense røntgenstråler på en prøve, du vil forstå, hvordan det reagerer på røntgenstrålerne, "sagde Daniel Rolles fra Kansas State University." Dette papir viser, at vi kan forstå og modellere strålingsskaden i små molekyler, så nu kan vi forudsige, hvilken skade vi vil få i andre systemer. "

Som at fokusere solen på et miniaturebillede

Eksperimentet, ledet af Rolles og Artem Rudenko fra Kansas State, fandt sted på LCLS's Coherent X-ray Imaging instrument. CXI leverer røntgenstråler med de højest mulige energier, der kan opnås ved LCLS, kendt som hårde røntgenstråler, og registrerer data fra prøver i det øjeblik, før laserpulsen ødelægger dem.

Hvor intense er disse røntgenpulser?

"De er omkring hundrede gange mere intense end hvad du ville få, hvis du fokuserede alt sollys, der rammer Jordens overflade, på et miniaturebillede, "sagde LCLS-videnskabsmand og medforfatter Sebastien Boutet.

Røntgenstråler udløser elektronkaskader

Til denne undersøgelse, forskere brugte specielle spejle til at fokusere røntgenstrålen til en plet på lidt over 100 nanometer i diameter - omkring en hundrededel af størrelsen af ​​den, der blev brugt i de fleste CXI-eksperimenter, og tusind gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. De så på tre typer prøver:individuelle xenonatomer, som hver har 54 elektroner, og to typer molekyler, der hver indeholder et enkelt jodatom, som har 53 elektroner.

Tunge atomer omkring denne størrelse er vigtige i biokemiske reaktioner, og forskere tilføjer dem nogle gange til biologiske prøver for at øge kontrasten til billeddannelse og krystallografi -applikationer. Men indtil nu, ingen havde undersøgt, hvordan den ultraintensive CXI-stråle påvirker molekyler med så tunge atomer.

Holdet indstillede energien af ​​CXI-impulserne, så de selektivt ville fjerne de inderste elektroner fra xenon- eller jodatomerne, skaber "hule atomer". Baseret på tidligere undersøgelser med mindre energiske røntgenstråler, de troede, at kaskader af elektroner fra de ydre dele af atomet ville falde ned for at udfylde de ledige pladser, kun for selv at blive sparket ud af efterfølgende røntgenbilleder. Det ville efterlade kun et par af de mest stramt bundne elektroner. Og, faktisk, det er, hvad der skete i både de fritstående xenon-atomer og jod-atomerne i molekylerne.

Men i molekylerne, processen stoppede ikke der. Jodatomet, som havde en stærk positiv ladning efter at have mistet de fleste af sine elektroner, fortsatte med at suge elektroner ind fra tilstødende carbon- og brintatomer, og disse elektroner blev også skubbet ud, en efter en.

I stedet for at miste 47 elektroner, som det ville være tilfældet for et isoleret jodatom, jod i det mindre molekyle tabte 54, herunder dem, den tog fra sine naboer - et niveau af skader og forstyrrelser, der ikke kun er højere end normalt ville forventes, men væsentligt forskellig i karakter.

Resultater foder til teori for at forbedre eksperimenter

"Vi tror, ​​at effekten var endnu vigtigere i det større molekyle end i det mindre, men vi ved ikke, hvordan vi skal kvantificere det endnu, "Rudenko sagde." Vi vurderer, at mere end 60 elektroner blev sparket ud, men vi ved faktisk ikke, hvor det stoppede, fordi vi ikke kunne opdage alle de fragmenter, der fløj af, da molekylet faldt fra hinanden for at se, hvor mange elektroner der manglede. Dette er et af de åbne spørgsmål, vi skal studere. "

For de data, der er analyseret til dato, den teoretiske model gav fremragende overensstemmelse med den observerede adfærd, giver tillid til, at mere komplekse systemer nu kan studeres, sagde LCLS -direktør Mike Dunne. "Dette har vigtige fordele for forskere, der ønsker at opnå billeder med de højeste opløsning af biologiske molekyler (f.eks. at informere udviklingen af ​​bedre lægemidler). Disse eksperimenter guider også udviklingen af ​​et næste generations instrument til LCLS-II opgraderingsprojektet, hvilket vil give et stort spring i kapacitet på grund af stigningen i gentagelseshastigheden fra 120 pulser pr. sekund til 1 million. "