Brug af sund forsinkelse i krystalatomers reaktion på en lavine af fotoner

Ved hjælp af røntgen-laserimpulser kan stoffets struktur studeres med hidtil hidtil hidtil uset nøjagtighed. Impulserne er dog så voldsomme, at de ødelægger prøven, der bestråles. Ikke desto mindre er det netop lykkedes et polsk-japansk hold af fysikere at demonstrere, at atomer i den krystal, der undersøges, reagerer på en lavine af fotoner med en vis forsinkelse. Opdagelsen betyder, at man ved at bruge tilstrækkeligt korte laserimpulser vil være muligt at se en uforstyrret struktur af stof.

Er det muligt at se kemiske reaktioner af komplekse molekyler ved subatomær opløsning? Det ser sådan ud, men kun ved brug af frie elektronlasere (FEL). Lasere af denne type er i stand til at generere røntgenimpulser med unikke kvaliteter:ikke kun er de ultrakorte, målt i enkelte femtosekunder, men de indeholder også rigtig mange fotoner. Efter at have bestrålet en prøve med en sådan puls, produceres et diffraktionsbillede, hvorfra fysikere kan forsøge at rekonstruere molekylernes rumlige struktur. I denne tilgang lurer der imidlertid et meget alvorligt problem.

"Når vi bestråler en prøve med masser af højenergifotoner, begynder dens atomer at interagere med strålingen så kraftigt, at materialet ødelægges. Så hvad ser vi i de optagne diffraktionsbilleder - prøvens sande struktur eller rettere en billede af dens ødelæggelse?" spørger prof. Beata Ziaja-Motyka fra Institut for Kernefysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow og Center for Frielektronlaserforskning (CFEL) ved DESY i Hamborg.

Prof. Ziaja-Motyka er medlem af et internationalt hold af eksperimentelle og teoretiske fysikere ledet af Dr. Ichiro Inoue fra Japans RIKEN SPring-8 Center FEL-facilitet. Gruppen har i flere år studeret interaktionen mellem laserrøntgenimpulser og stof. I deres seneste papir, der vises i Physical Review Letters , præsenterer forskerne resultaterne af arbejdet med processer som disse i tilfælde af korund nanokrystaller, der består af ilt- og aluminiumatomer. Den eksperimentelle del blev udført ved hjælp af SACLA røntgenlaseren, der opererede i Hyogo, Japan.

"En unik egenskab ved vores laser er dens evne til at producere pulser af hårde — det vil sige højenergiske — røntgenstråler, der både er ultrakorte og af høj intensitet. I vores forskning med korund nanokrystaller brugte vi pulser, der kun varede seks femtosekunder. De indsamlede data gjorde det muligt for os at vurdere, at krystalatomerne begynder at reagere på fotonstrålen med en forsinkelse på 20 femtosekunder," siger Dr. Inoue.

"De eksperimentelle resultater er i glimrende overensstemmelse med forudsigelserne fra vores modeller og simuleringer, hvor en lignende forsinkelse også viser sig," siger prof. Ziaja-Motyka, der sammen med Dr. Victor Tkachenko (IFJ PAN) var involveret i det teoretiske beskrivelse og simuleringer af de undersøgte fænomener. "Vi mener, at hovedårsagen til denne forsinkelse er det faktum, at elektronerne placeret i atomer fanget i krystalgitterets knudepunkter virker lidt som en kofanger og er de første til at optage impulsen fra røntgenimpulsen." tilføjer Dr. Tkachenko.

Den forsinkede reaktion fra ilt- og aluminiumatomer i korund på røntgenimpulsen viser sig at være en konsekvens af følgende hændelsesforløb. Når fotoner med høj energi kommer ind i krystallen, overfører de denne energi hovedsageligt til elektronerne i atomerne indlejret i krystalgitterets noder. Som et resultat af denne interaktion slås elektroner massivt ud af atomerne. På grund af den betydelige masseforskel mellem de frigivne elektroner og de ioniserende atomer, mærker sidstnævnte i begyndelsen ikke rekylen. Imidlertid bliver atomerne selv, der hidtil er elektrisk inerte, stærkt elektrisk ladede og begynder at føle frastødelse fra deres tilsvarende ladede naboer. Det er denne proces, der tager omkring 20 femtosekunder. På et endnu senere tidspunkt får ionerne yderligere energi gennem interaktioner med de accelererede elektroner. Det endelige resultat er ødelæggelsen af ​​prøven.

Tidligere er systemer, der består af atomer af forskellige grundstoffer, allerede blevet undersøgt med røntgen-FEL-lasere. Imidlertid blev pulser med varigheder på 15-20 femtosekunder brugt til at bestråle dem. Man ved nu, at det er på netop sådan en tidsskala, at atomer i systemerne begynder at reagere på pulsbestråling. Dette faktum betyder, at de hidtil opnåede billeder har repræsenteret strukturer, der allerede er delvist forstyrret af interaktion med laserstrålen.

Overensstemmelsen mellem reaktionstiderne for atomer i korund nanokrystallen til en røntgenpuls, målt i det seneste eksperiment, med dem, der er forudsagt af simuleringer, giver os mulighed for optimistisk at overveje yderligere forsøg på at observere andre, mere komplekse systemer, især dem, der indeholder lys elementer, som er byggestenene i levende stof.

Strukturen af ​​simple nanokrystaller, såsom korund, er reproducerbar. Eksisterende symmetrier gør det nemt at foretage observationer, analysere diffraktionsbilleder og simulere prøvernes reaktion på laserimpulser. Desværre er mange interessante strukturer blottet for symmetri. Det vidtrækkende mål for det polsk-japanske hold af fysikere er derfor at udvikle metoder og skabe værktøjer, der muliggør billeddannelse og simulering af biologisk relevante systemer, såsom proteinkonglomerater eller enkelte vira.

"I øjeblikket udgør tidspunkterne for udførelse af computersimuleringer en særlig udfordring. Manglen på symmetri i prøver af biologisk interesse tvinger os til at modellere store systemer. Beregninger kan derefter tage mange måneder. Vi arbejder på at reducere dem til enkelte timer, hvilket ville fremskynde forskning og lette dens praktiske anvendelse," bemærker prof. Ziaja-Motyka. + Udforsk yderligere

Et nyt vindue ind i en verden af ​​attosecond-fænomener