Eine fortlaufendeNIST National Institute of Standards and Technology Projekt nähert sich einem der dringendsten Ziele der modernen Wissenschaft: Die Fähigkeit, die detaillierte Dynamik chemischer Reaktionen während ihres Ablaufs zu beobachten – auf der räumlichen Skala von Molekülen, Atomen und Elektronen sowie auf der ZeitPikosekundenskala oder noch kürzer.
Die Forscher haben eine sehr ungewöhnliche, kompakte und relativ kostengünstige Röntgenquelle für ein Bildgebungssystem entwickelt und demonstriert, das bald verwendet werden könnte, um die Art von „Molekularfilmen“ zu produzieren, die Wissenschaftler und Ingenieure brauchen. „Ich glaube, dass wirwerden in der Lage sein, interatomare Abstände mit Sub-Angström-Genauigkeit zu messen“, sagt Joel Ullom von der Quantum Devices Group in PMLs Quantum Electronics and Photonics Division, Principal Investigator des Verbundprojekts und Leiter des Teams, das die Röntgenquelle entwickelt hat. „Und wir werden in der Lage sein, Aktivitäten im atomaren Maßstab mit Pikosekunden-Auflösung während chemischer Reaktionen zu beobachten.“
Die "Röntgenquelle ist ein neuartiges Tischsystem, das Pikosekunden-Pulse von Röntgenstrahlen erzeugt, ein heiliger Gral unter Wissenschaftlern, die versuchen, die präzise Echtzeitbewegung von Elektronen, Atomen und Molekülen aufzuklären."sagtMarla Dowell, Leiter der Sources and Detectors Group von PML. „Irgendwann wird dieser Table-Top-Ansatz in der Lage sein, Kopf-an-Kopf mit weitaus teureren und aufwändigeren Synchrotron-Techniken zu konkurrieren.“
Das Funktionsprinzip beginnt mit einem gepulsten Infrarot-IR-Laserstrahl, der in zwei Teile geteilt wird. Der erste Teil wird verwendet, um ein zu untersuchendes Material zu photoanregen und eine chemische Reaktion zu starten. Der zweite Teil wird in eine Vakuumkammer geleitet,darüber befindet sich ein Wasserreservoir mit einer winzigen Öffnung zur Kammer. Wasser wird in einem 0,2 mm breiten Strahl in die Kammer gesaugt und der Laserstrahl auf das strömende Wasserstrahlziel fokussiert.
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Nahaufnahme eines Wasserstrahl-Targets vertikale Linie, ~ 0,2 mm breit, das zur Erzeugung von Pikosekunden-Röntgenimpulsen verwendet wird. [Bildquelle: Jens Uhlig][/caption]
„Dadurch wird ein Plasma auf dem Target gezündet“, sagt Ullom, „und einige der Elektronen aus der Ionisation werden – aufgrund der sehr großen elektrischen Felder des Lasers – zurück in das Wassertarget beschleunigt. Dort durchlaufen sie die gleiche Artder abrupten Verzögerung, die Elektronen in einer herkömmlichen Röntgenröhre ausführen. Der IR-Strahl hat sehr wenig Energie pro Photon. Aber was bei der Wechselwirkung mit dem Target entsteht, sind Röntgenstrahlen mit Energien 10.000 mal höher. Dann richten wir den Röntgenstrahl so aus, dass er auf die interessierende Probe trifft.“ Die Röntgenstrahlen passieren dann die Probe und gelangen in eine separate Kryokammer, in der supraleitende Röntgendetektoren das Absorptionsspektrum aufnehmen.
Im September demonstrierte das Team, dass die Röntgenquelle über längere Zeiträume stabil war. Der nächste Schritt besteht darin, damit zu wissenschaftlichen Arbeiten. „Wir interessieren uns sehr für photoaktive Materialien, Komponenten für Solarzellen der nächsten Generation undKatalysatoren", sagt Ullom. "Wir beginnen mit Modellsystemen und gehen von dort aus weiter.