Atombillard med røntgenstråler:En ny tilgang til at se ind i molekyler

I 1921, Albert Einstein modtog Nobelprisen i fysik for opdagelsen af, at lys er kvantiseret, interagerer med stof som en strøm af partikler kaldet fotoner. Siden disse tidlige dage med kvantemekanik, fysikere har vidst, at fotoner også besidder momentum. Fotonens evne til at overføre momentum blev brugt i en ny tilgang af forskere fra Max Born Institute, Uppsala Universitet og European X-ray Free-Electron Laser Facility for at observere en grundlæggende proces i interaktionen mellem røntgenstråler og atomer. De detaljerede eksperimentelle og teoretiske resultater er rapporteret i tidsskriftet Videnskab .

Absorption og emission af fotoner fra atomer er grundlæggende processer i lysets interaktion med stof. Meget sjældnere er processer, hvor flere fotoner samtidig interagerer med et atom. Tilgængeligheden af ​​intense laserstråler siden 1960'erne har ført til udviklingen af ​​ikke-lineær optik til at observere og udnytte sådanne processer.

Helt nye muligheder opstår, hvis det er muligt at bruge ikke-lineær optik med røntgenstråler i stedet for synligt lys. Brugen af ​​ultrakorte røntgenglimt giver mulighed for detaljeret indsigt i bevægelsen af ​​elektroner og atomkerner i molekyler og faste stoffer. Dette perspektiv var en af ​​drivkræfterne, der førte til konstruktionen af ​​røntgenlasere baseret på partikelacceleratorer i flere lande. Da den europæiske XFEL-røntgenfrielektronlaser startede i drift i 2017, det videnskabelige samfund tog et vigtigt skridt i den retning. Alligevel, fremskridt i brugen af ​​ikke-lineære røntgenprocesser til at studere fundamental interaktion med stof har været langsommere end forventet. "Typisk, de meget stærkere lineære processer okkluderer de interessante ikke-lineære processer, " siger prof. Ulli Eichmann fra Max Born Institut for ikke-lineær optik og kortpulsspektroskopi i Berlin.

Det tysk-svenske forskerhold har nu demonstreret en ny metode til at observere de ikke-lineære processer uden at blive forstyrret af de lineære processer. Til denne ende, holdet gjorde brug af det momentum, der overføres mellem røntgenstråler og atomer. Når du krydser en supersonisk atomstråle med røntgenstrålen, de kan identificere de atomer, der har gennemgået den såkaldte stimulerede Raman-spredningsproces - en fundamental ikke-lineær proces, hvor to fotoner med forskellige bølgelængder rammer et atom, og to fotoner med den længere bølgelængde forlader atomet. Resultaterne blev rapporteret i tidsskriftet Videnskab .

"Fotoner overfører momentum til et atom - fuldstændig analogt med en billardkugle, der rammer en anden, " forklarer Eichmann. I den stimulerede Raman-proces, begge fotoner forlader atomet i nøjagtig samme retning som de to indfaldende fotoner, derfor forbliver atomets momentum og dets flyveretning i det væsentlige uændret. De meget hyppigere lineære processer, hvor en foton absorberes efterfulgt af emission af en anden foton, har en anden signatur:Da den udsendte foton typisk udsendes i en anden retning, atomet vil blive afbøjet. At observere atomernes retning, videnskabsmændene kunne således klart skelne den stimulerede Raman-proces fra andre processer.

"Den nye metode åbner unikke muligheder, når den kombineres i fremtiden med to tidsforsinkede røntgenimpulser af forskellige bølgelængder. Sådanne pulsmønstre er for nylig blevet tilgængelige på røntgenlasere som den europæiske XFEL, " forklarer Dr. Michael Meyer, forsker ved det europæiske XFEL.

Da røntgenimpulser med forskellige bølgelængder giver forskere mulighed for specifikt at adressere bestemte atomer i et molekyle, det er muligt i detaljer at observere, hvordan elektronernes bølgefunktioner i molekyler udvikler sig over tid. I det lange løb, forskerne håber ikke kun at observere denne udvikling, men at påvirke det via skræddersyede laserimpulser. "Vores tilgang giver mulighed for en bedre forståelse af kemiske reaktioner på atomær skala og kan være med til at styre reaktionerne i en ønsket retning. Da elektronernes bevægelse er det væsentlige trin i kemiske og fotokemiske reaktioner, der forekommer f.eks. i batterier og solceller, vores tilgang kan også give ny indsigt i sådanne processer, siger Jan-Erik Rubensson, professor ved Uppsala Universitet.