Spøgelsesagtige røntgenbilleder kunne give nøgleoplysninger til analyse af røntgenlasereksperimenter

X-ray free-electron lasers (XFEL'er) producerer utrolig kraftige lysstråler, der muliggør hidtil usete undersøgelser af atomers ultrahurtige bevægelser i stof. For at fortolke data taget med disse ekstraordinære lyskilder, forskere har brug for en solid forståelse af, hvordan røntgenimpulserne interagerer med stof, og hvordan disse interaktioner påvirker målinger.

Nu, computersimuleringer foretaget af forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory tyder på, at en ny metode kunne vende tilfældige udsving i intensiteten af ​​laserimpulser fra en gene til en fordel, facilitere undersøgelser af disse grundlæggende interaktioner. Hemmeligheden er at anvende en metode kendt som "spøgelsesbilleddannelse, " som rekonstruerer, hvordan objekter ser ud uden nogensinde at registrere deres billeder direkte.

"I stedet for at prøve at gøre XFEL-pulser mindre tilfældige, hvilket er den tilgang, vi oftest følger til vores eksperimenter, vi ønsker faktisk at bruge tilfældighed i dette tilfælde, " sagde James Cryan fra Stanford PULSE Institute, et fælles institut af Stanford University og SLAC. "Vores resultater viser, at ved at gøre det, vi kan komme uden om nogle af de tekniske udfordringer forbundet med den nuværende metode til at studere røntgeninteraktioner med stof."

Forskerholdet offentliggjorde deres resultater i Fysisk gennemgang X .

Udnyttelse af røntgenspidser

Forskere ser almindeligvis på disse interaktioner gennem pumpe-probe eksperimenter, hvor de sender par af røntgenimpulser gennem en prøve. Den første puls, kaldet pumpepuls, omarrangerer, hvordan elektroner er fordelt i prøven. Den anden puls, kaldet sondepulsen, undersøger virkningerne af disse omlejringer på bevægelserne af prøvens elektroner og atomkerner. Ved at gentage eksperimentet med varierende tidsforsinkelser mellem pulserne, forskere kan lave en stop-motion film af den lille, hurtige bevægelser.

En af udfordringerne er, at røntgenlasere genererer lysimpulser i en tilfældig proces, således at hver puls faktisk er et tog af smalle røntgenspidser, hvis intensitet varierer tilfældigt mellem pulserne.

"Pumpe-probe eksperimenter kræver derfor typisk, at vi først forbereder veldefinerede, korte pulser, der er mindre tilfældige, " sagde SLAC's Daniel Ratner, undersøgelsens hovedforfatter. "Derudover er vi nødt til at kontrollere tidsforsinkelsen mellem dem meget godt."

I den nye tilgang, han sagde, "Vi skulle ikke bekymre os om noget af det. Vi ville bruge røntgenimpulser, når de kommer ud af XFEL uden yderligere modifikationer."

Faktisk, i denne nye måde at tænke på kan hvert par spidser inden for en enkelt røntgenimpuls betragtes som et par pumpe- og sondeimpulser, så forskerne kunne lave mange pumpe-probe-målinger med et enkelt skud af XFEL.

Tager spøgelsesbilleder

For at producere snapshots af en prøves molekylære bevægelser med denne metode, Ratner og hans kolleger ønsker at anvende spøgelsesbilledteknikken.

Ved konventionel billeddannelse, lys, der falder på en genstand, frembringer et todimensionelt billede på en detektor – uanset om det er bagsiden af ​​dit øje, megapixelsensoren i din mobiltelefon eller en avanceret røntgendetektor. spøgelsesbilleder, på den anden side, konstruerer et billede ved at analysere, hvordan tilfældige mønstre af lys, der skinner på objektet, påvirker den samlede mængde lys, der kommer fra objektet.

"I vores metode, de tilfældige mønstre er de fluktuerende spidsstrukturer af individuelle XFEL-impulser, " sagde medforfatter Siqi Li, en kandidatstuderende ved SLAC og Stanford og hovedforfatter af en tidligere undersøgelse, der demonstrerede spøgelsesbilleder ved hjælp af elektroner. "For at lave billedrekonstruktionen, vi skal gentage eksperimentet mange gange – omkring 100, 000 gange i vores simuleringer. Hver gang, vi måler pulsprofilen med et diagnostisk værktøj og analyserer signalet, der udsendes af prøven."

I en beregningsproces, der låner ideer fra maskinlæring, forskere kan derefter omdanne disse data til en visualisering af røntgenpulsens virkninger på prøven.

Et komplementært værktøj

Indtil nu, den nye idé er kun blevet testet i simuleringer og afventer eksperimentel validering, for eksempel ved SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser, en DOE Office of Science brugerfacilitet. Endnu, forskerne er allerede overbevist om, at deres metode kan supplere konventionelle pumpe-probe-eksperimenter.

"Hvis fremtidige tests lykkes, metoden kunne styrke vores evne til at se på meget fundamentale processer i XFEL eksperimenter, " sagde Ratner. "Det ville også tilbyde et par fordele, som vi gerne vil udforske." Disse omfatter mere stabilitet, hurtigere billedgenopbygning, mindre prøveskader og udsigten til at udføre eksperimenter på hurtigere og hurtigere tidsskalaer.