Eine große internationale Gruppe von Wissenschaftlern aus mehreren Forschungseinrichtungen hat eine neue Methode entwickelt, die die bereits blitzschnelle Zeitauflösung, die mit Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern XFELs erreicht werden kann, dramatisch verbessert. aktuelle Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik .
Dies könnte Wissenschaftler zu neuen Durchbrüchen bei der Herstellung neuer Materialien und drastisch effizienterer chemischer Prozesse führen.
Neuer Hochgeschwindigkeits-Röntgenlaser enthüllt die kleinsten Teile unseres Universums
Ein XFEL-Gerät verwendet eine leistungsstarke Kombination aus Teilchenbeschleuniger und Lasertechnologie, um unbeschreiblich helle und ultrakurze Impulse von Röntgenstrahlen zu erzeugen, die für wissenschaftliche Forschungen verwendet werden.
"Mit dieser Technologie können Wissenschaftler jetzt Prozesse verfolgen, die innerhalb von Millionen Milliardstelsekunden Femtosekunden bei Größen bis zur atomaren Skala ablaufen", sagte der Physiker Gilles Doumy von Argonnes Abteilung für chemische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften. a Phys.org Bericht . "Unsere Methode macht es möglich, dies für noch schnellere Zeiten zu tun."
Entscheidend für verschiedene Anwendungen von XFELs sind die Biowissenschaften, in denen Wissenschaftler erfassen, wie sich biologische Prozesse, die für das Leben von grundlegender Bedeutung sind, wie sie sich im Laufe der Zeit ändern - noch bevor die Strahlung des Röntgenlasers die Untersuchungsprobe zerstört.
Das Problem des Timing-Jitters
In Chemie und Physik können diese Röntgenstrahlen auch die schnellsten Prozesse in der Natur mit einer blendend kurzen Verschlusszeit von nur einer Femtosekunde beleuchten. Diese Prozesse umfassen die Bildung und Auflösung chemischer Bindungen sowie die Schwingung von Atomenauf dünnen Filmoberflächen.
Seit mehr als einem Jahrzehnt haben XFELs intensive Femtosekunden-Röntgenpulse abgegeben, die in das Sub-Femtosekunden-Regime Attosekunde genannt eindringen. Auf diesen winzigen Zeitskalen ist es jedoch schwierig, den funkenden Röntgenpuls zu synchronisierenReaktionen in der Probe mit dem Laserpuls mit dem Ziel, es zu "beobachten".
Kurz gesagt, dieses Problem wird als Timing-Jitter bezeichnet.
"Es ist, als würde man versuchen, das Ende eines Rennens zu fotografieren, wenn der Kameraverschluss in den letzten zehn Sekunden jederzeit aktiviert wird", sagte Dan Haynes, Hauptautor der Studie und Doktorand am Max-Planck-Institut für Strukturund Dynamik der Materie.
Strahlungs- und Auger-Elektronen beschädigen die Probe
Um die Unruhe zu vermeiden, erfand das Forscherteam einen neuen hochpräzisen Ansatz namens "selbstreferenzierte Attosekundenstreifen". Das Team lieferte einen Proof-of-Concept ihrer Methode, indem es einen grundlegenden Zerfallsprozess von Neongas an derLinac Coherent Light Source, eine Benutzereinrichtung des Department of Energy Office of Science im SLAC National Accelerator Laboratory.
Diese Messung wurde erstmals 2012 vorgeschlagen - von Doumy und seinem damaligen Berater, Professor Louis DiMauro von der Ohio State University.
Während des Zerfallsprozesses - Auger-Zerfall genannt - wirft ein Röntgenpuls Atomkernelektronen in der Probe aus ihrer Ausgangsposition. Dadurch werden Ersatzelektronen eingebracht, die aus den äußeren Atomschalen gezogen werden.
Dieser Prozess kann die Emission einer anderen Art von Elektronen induzieren, die als Auger-Elektron bezeichnet wird. Die Probe wird durch Strahlung beschädigt - dank intensiver Röntgenstrahlen und anhaltender Emissionen von Auger-Elektronen, die die Probe schnell zersetzen.
Die Tiefen des winzigen Universums
Sobald die Neonatome Röntgenstrahlen ausgesetzt sind, emittieren sie auch Elektronen, sogenannte Photoelektronen. Dann werden beide Arten von Elektronen einem "streifenden" Laserpuls ausgesetzt, der es den Forschern ermöglicht, ihre Endenergie in jeder von Zehntausenden von Einzelmessungen zu identifizieren.
"Aus diesen Messungen können wir den zeitlichen Zerfall von Auger mit einer Genauigkeit von weniger als einer Femtosekunde verfolgen, obwohl der Timing-Jitter hundertmal größer war", sagte Doumy in der Phys.org Bericht. "Die Technik beruht auf der Tatsache, dass Auger-Elektronen etwas später als die Photoelektronen emittiert werden und somit mit einem anderen Teil des streifenden Laserpulses interagieren."
Die Tiefen des winzigen Universums sind schwer zu beschreiben. Seit der Spaltung des Atoms im 20. Jahrhundert Wissenschaftler weltweit sind weit gekommen - sie haben seltsame neue Konzepte der Zeit angewendet wie die Quantenmechanik um die undenkbar kleinen Dimensionen des Universums zu verstehen. Und mit neuen, schneller wirkenden ultraschnellen Lasern wie XFEL werden die Vorteile für viele Bereiche, einschließlich der Untersuchung biologischer Prozesse, unsere Welt für Feste verändern.