Skarpe røntgenpulser fra atomkernen

Røntgenstråler gør det usynlige synligt:​​de tillader, at materialer struktureres, bestemmes helt ned til niveauet for individuelle atomer. I 1950'erne var det røntgenstråler, der afslørede dobbelt-helix-strukturen af ​​DNA. Med nye røntgenkilder, såsom XFEL-frielektronlaseren i Hamborg, det er endda muligt at "filme" kemiske reaktioner. Resultaterne fra undersøgelser med disse nye røntgenkilder kan være ved at blive endnu mere præcise. Et team omkring Kilian Heeg fra Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg har nu fundet en måde at gøre spektret af røntgenpulser udsendt af disse kilder endnu smallere. I modsætning til standard lasere, som genererer lys med en enkelt farve og bølgelængde, røntgenkilder producerer generelt pulser med et bredt spektrum af forskellige bølgelængder. Skarpere impulser kunne snart drive applikationer, der tidligere ikke var mulige. Dette omfatter test af fysiske konstanter og måling af længder og tider endnu mere præcist, end der kan opnås på nuværende tidspunkt.

Forskere bruger lys og anden elektromagnetisk stråling til at udvikle nye materialer på arbejdet inden for elektronik, biler, fly eller kraftværker, samt til undersøgelser af biomolekyler såsom proteinfunktion. Elektromagnetisk stråling er også det foretrukne værktøj til at observere kemiske reaktioner og fysiske processer i mikro- og nanoområderne. Forskellige typer af spektroskopi bruger forskellige individuelle bølgelængder til at stimulere karakteristiske svingninger i specifikke komponenter i en struktur. Hvilke bølgelængder interagerer med strukturen - fysikere bruger udtrykket resonans - fortæller os noget om deres sammensætning og hvordan de er konstrueret; for eksempel, hvordan atomer i et molekyle er arrangeret i rummet.

I modsætning til synligt lys, som har en meget lavere energi, røntgenstråler kan udløse resonans ikke kun i elektronens skal af et atom, men også dybt i atomkernen, dens kerne. Røntgenspektroskopi giver derfor unik viden om materialer. Ud over, resonansen af ​​nogle atomkerner er meget skarp, tillader i princippet ekstremt præcise målinger.

Røntgenkilder genererer ultrakorte blink med et bredt spektrum

Moderne røntgenkilder, såsom XFEL-fri elektronlaseren i Hamborg og PETRA III (Hamborg), og ESRF (Grenoble) synkrotronkilder er primære kandidater til at udføre sådanne undersøgelser. Især frielektronlasere er optimeret til at generere meget korte røntgenblink, som primært bruges til at studere meget hurtige processer i den mikroskopiske verden af ​​atomer og molekyler. Ultra korte lysimpulser, imidlertid, til gengæld har et bredt spektrum af bølgelængder. Følgelig, kun en lille brøkdel af lyset er ved den rigtige bølgelængde for at forårsage resonans i prøven. Resten passerer lige gennem prøven, gør spektroskopi af skarpe resonanser temmelig ineffektiv.

Det er muligt at generere et meget skarpt røntgenspektrum-dvs. røntgenstråler med en enkelt bølgelængde-ved hjælp af filtre; imidlertid, da dette indebærer fjernelse af ubrugte bølgelængder, det resulterende resonanssignal er stadig svagt.

Den nye metode udviklet af forskerne i Heidelberg leverer en tre til fire gange stigning i resonanssignalets intensitet. Sammen med forskere fra DESY i Hamburg og ESRF i Grenoble, Kilian Heeg og Jörg Evers fra Christoph Keitels division og et team omkring Thomas Pfeifer ved Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg er lykkedes med at få noget af den røntgenstråling, der normalt ikke ville interagere med prøven, til at bidrage til resonanssignalet. De har med succes testet deres metode på jernkerner både ved ESRF i Grenoble og ved PETRA III -synkrotronen til DESY i Hamburg.

Et lille ryk forstærker strålingen

Forskernes tilgang til forstærkning af røntgenstrålerne er baseret på, at, når røntgenstråler interagerer med jernkerner (eller andre kerner) for at producere resonans, de udsendes igen efter en kort forsinkelse. Disse genudsendte røntgenstråler halter derefter nøjagtigt en halv bølgelængde bag den del af strålingen, der er passeret lige igennem. Det betyder, at toppe i den ene bølge falder præcist sammen med trugene i den anden bølge, med det resultat, at de annullerer hinanden. Denne destruktive interferens dæmper røntgenpulserne ved resonansbølgelængden, som også er den grundlæggende oprindelse for absorption af lys.

"Vi bruger tidsvinduet på cirka 100 nanosekunder, før jernkernerne genudsender røntgenstrålerne, "forklarer projektleder Jörg Evers. I løbet af dette tidsvindue, forskerne flytter jernfolien med omkring 40 milliarder af en millimeter (0,4 ångstrøm). Denne lille stød har den virkning, at den producerer konstruktiv interferens mellem de udsendte og transmitterede lysbølger. "Det er som om to floder, bølgerne på den ene er forskudt med en halv bølgelængde fra bølgerne på den anden, møde, "siger Evers, "og du skifter en af ​​floderne med præcis denne afstand." Dette har den virkning, at efter floderne mødes, bølgerne på de to floder bevæger sig i takt med hinanden. Wave toppe falder sammen med bølge toppe og bølgerne forstærker, frem for at dæmpe, hinanden. Dette trick, imidlertid, virker ikke kun på lys ved resonansbølgelængderne, men har også den modsatte effekt (dvs. dæmpning) på et bredere område af bølgelængder omkring resonansbølgelængden. Kilian Heeg udtrykker det sådan. "Vi presser ellers ubrugt røntgenstråling ind i resonansen."

For at gøre det muligt for fysikerne at flytte jernfolien hurtigt nok og præcist nok, den er monteret på en piezoelektrisk krystal. Denne krystal udvider sig eller trækker sig sammen som reaktion på en påført elektrisk spænding. Ved hjælp af et specielt udviklet computerprogram, de Heidelberg-baserede forskere var i stand til at justere det elektriske signal, der styrer den piezoelektriske krystal for at maksimere forstærkning af resonanssignalet.

Applikationer i længdemåling og atomure

Forskerne ser en lang række potentielle applikationer til deres nye teknik. Ifølge Thomas Pfeifer, proceduren vil udvide anvendeligheden af ​​nye højeffektrøntgenkilder til højopløselig røntgenspektroskopi. Dette vil muliggøre mere præcis modellering af, hvad der sker i atomer og molekyler. Pfeifer understreger også nytten af ​​teknikken i metrologi, især til højpræcisionsmålinger af længder og den kvantemekaniske definition af tid. "Med røntgenstråler, det er muligt at måle længder 10, 000 gange mere præcist end med synligt lys, "forklarer Pfeifer. Dette kan bruges til at studere og optimere nanostrukturer såsom computerchips og nyudviklede batterier. Pfeifer forestiller sig også røntgenatomure, der er langt mere præcise end selv de mest avancerede optiske atomure i dag baseret på synligt lys.

Ikke mindst, bedre røntgenspektroskopi kunne sætte os i stand til at besvare et af fysikkens store ubesvarede spørgsmål-om fysiske konstanter virkelig er konstante, eller om de ændrer sig langsomt med tiden. Hvis sidstnævnte var sandt, resonanslinjer ville drive langsomt over tid. Ekstremt skarpe røntgenspektre ville gøre det muligt at afgøre, om dette er tilfældet over en relativt kort periode.

Evers regner med, at en gang moden, teknikken ville være relativt let at integrere i eksperimenter ved DESY og ESRF. "Det bør være muligt at lave en enhed i skokasse, der hurtigt kan installeres og ifølge vores beregninger, kunne muliggøre en cirka 10 gange forstærkning, "tilføjer han.