Undersøgelse af et øjebliksbillede af eksploderende ilt

I mere end 100 år, vi har brugt røntgenstråler til at se ind i stoffet og udviklet os til stadigt mindre strukturer – fra krystaller til nanopartikler. Nu, inden for rammerne af et større internationalt samarbejde om røntgenlaseren European XFEL i Schenefeld ved Hamborg, fysikere ved Goethe Universitet har opnået et kvalitativt spring fremad. Ved hjælp af en ny eksperimentel teknik, de har været i stand til at røntgenstråle molekyler som ilt og se deres bevægelse i mikrokosmos for første gang.

"Jo mindre partikel, jo større hammer." Denne regel fra partikelfysik, som ser inde i atomkernenes indre ved hjælp af gigantiske acceleratorer, gælder også for denne forskning. For at røntgenstråle et to-atomet molekyle såsom oxygen, en ekstremt kraftig og ultrakort røntgenpuls er påkrævet. Dette blev leveret af det europæiske XFEL, som startede driften i 2017 og er en af ​​de stærkeste røntgenkilder i verden

For at blotlægge individuelle molekyler, en ny røntgenteknik er også nødvendig. Ved hjælp af den ekstremt kraftige laserpuls, molekylet bliver hurtigt berøvet to bundne elektroner. Dette fører til skabelsen af ​​to positivt ladede ioner, der flyver fra hinanden brat på grund af den elektriske frastødning. Samtidigt, det faktum, at elektroner også opfører sig som bølger, bruges med fordel. "Du kan tænke på det som et ekkolod, " forklarer projektleder professor Till Jahnke fra Institut for Kernefysik. "Elektronbølgen bliver spredt af molekylstrukturen under eksplosionen, og vi registrerede det resulterende diffraktionsmønster. Vi var derfor i det væsentlige i stand til at røntgenstråle molekylet indefra, og observer den i flere trin under dens opbrud. "

Til denne teknik, kendt som 'elektrondiffraktionsbilleddannelse, 'fysikere ved Institute for Nuclear Physics brugte flere år på at videreudvikle COLTRIMS -teknikken, som blev undfanget der (og ofte omtales som et 'reaktionsmikroskop'). Under opsyn af Dr. Markus Schöffler, et tilsvarende apparat blev ændret til kravene i den europæiske XFEL på forhånd, og designet og realiseret i løbet af en doktorafhandling af Gregor Kastirke. Ingen enkel opgave, som Till Jahnke bemærker:"Hvis jeg skulle designe et rumskib for sikkert at flyve til månen og tilbage, Jeg ville helt klart have Gregor på mit hold. Jeg er meget imponeret over, hvad han præsterede her."

Resultatet, som blev offentliggjort i det aktuelle nummer af den anerkendte Fysisk gennemgang X , giver det første bevis på, at denne eksperimentelle metode virker. I fremtiden, fotokemiske reaktioner af individuelle molekyler kan studeres ved hjælp af disse billeder med deres høje tidsmæssige opløsning. For eksempel, det skulle være muligt at observere et mellemstort molekyles reaktion på UV-stråler i realtid. Ud over, Dette er de første måleresultater, der blev offentliggjort siden starten på driften af ​​Small Quantum Systems (SQS) forsøgsstationen på den europæiske XFEL i slutningen af ​​2018.