Gamle røntgenbilleder, nyt syn:En nanofokuseret røntgenlaser

Fig. 1 Skematisk over den nye metode, baseret på prikker af sammenhængende spredning. Kredit:Osaka University

Forestil dig at tage film af de hurtigste kemiske processer, eller billeddannelse af detaljer i atomare skala af enkelte viruspartikler uden at beskadige dem. Forskere fra Japan har avanceret det nyeste inden for sådanne bestræbelser, ved at forbedre anvendeligheden af en speciel røntgenlaser til målinger i nanometerskala.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Journal of Synchrotron Radiation , forskere fra Osaka University, i samarbejde med RIKEN og Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), har reduceret strålediameteren i en røntgenfri elektronelaser til 6 nanometer i bredden. Dette forbedrer betydeligt anvendeligheden af disse lasere til billeddannelse af strukturer tættere på det atomare niveau end muligt i tidligere arbejde.

At "se" ekstremt små og ellers usynlige objekter, og observere ultrahurtige kemiske processer, forskere bruger almindeligvis synkrotron røntgenfaciliteter. Røntgen-frielektronlasere er et alternativ, der i princippet kan afbilde detaljer i atomskala af, for eksempel, en viruspartikel, på tidsskalaen for en elektronovergang, uden at beskadige partiklen. At gøre dette, du har brug for en utrolig lys røntgenlaser, der fokuserer ekstremt hurtige laserpulser på nanometerskalaen.

"Brug af flerlags fokusspejle, vi indsnævrede bredden af vores laserstråle ned til en diameter på 6 nanometer, "siger hovedforfatter til undersøgelsen Takato Inoue." Dette er ikke helt diameteren på et typisk atom, men vi gør gode fremskridt."

Fig. 2 Forholdet mellem spætteformer og stråleformer forvrænget af spejlforskydninger. Mellem:skala bar, 50 nm. Nederst:målestok, 0,5 nm-1. Genoptrykt med ændringer fra det tilsvarende originalpapir. Kredit:Osaka University
Fig. 3 Sammenligning af plettet mønstre (venstre, skala bar =0,06 nm−1), og en sammenligning af den beregnede pletterform (til højre), før og efter præcis spejljustering. Genoptrykt med ændringer fra det tilsvarende originale papir. Kredit:Osaka University

Indtil nu, det har været svært at fokusere røntgen-frielektronlasere til så små diametre. Det er på grund af udfordringer med at fremstille de nødvendige spejle, og bekræfter laserens fokuserede størrelse. Forskerholdet adresserede fokuseringsproblemet ved at analysere formen af laserens interferensmønstre, kendt som speckle profiler.

"Vi genererede pletprofiler ved sammenhængende røntgenspredning af tilfældigt fordelte metalnanopartikler, " forklarer Satoshi Matsuyama, senior forfatter. "Dette muliggjorde eksperimentelle målinger af laserstråleprofilen, som var i god overensstemmelse med teoretiske beregninger."

Fordi laserstrålens diameter kan måles så præcist, yderligere fremskridt er nu mulige. For eksempel, ved at bruge atomer til spredningsanalysen, Røntgenfri-elektronlasermålinger kan forbedres til et 1 nanometers fokus.

Forskerne forventer, at lasere med ekstrem høj intensitet, over en million billioner gange lysere end Solen, vil nu være nyttig til billeddannelse af ultrahurtige molekylære processer-i atomskala-detaljer-der ligger uden for de mest avancerede synkrotroners muligheder. Med sådan teknologi, proteinmolekyler og andre små vigtige biologiske enheder kan afbildes uden at beskadige dem under strategien "diffraktion før ødelæggelse, " ved at bruge en enkelt laserpuls.

Sidste artikelLetpresser reducerer kvantestøj i lasere, kunne forbedre kvanteberegning og gravitationsbølgedetektion

Næste artikelLær mere om partikelkollisioner med maskinlæring