Spektroskopia rentgenowska o rozdzielczości femtosekundowej i atomowej

Dynamiczny rozwój tomografii rentgenowskiej i elektronowej umożliwił wizualizację i analizę trójwymiarowej struktury materiałów krystalicznych oraz próbek biologicznych w skali nanometra. Jednak do niedawna brak było informacji chemicznych o rozdzielczości czasowej, które rzuciłyby światło na ewolucję zmian strukturalnych.

Technologie przemysłowe

Laser na swobodnych elektronach o małych długościach fal (FEL) może wytworzyć koherentne promieniowanie rentgenowskie o niespotykanej intensywności. Połączenie wysokiej rozdzielczości przestrzennej z ultrakrótkim czasem trwania na potrzeby czterowymiarowego (trzy wymiary przestrzenne oraz czas) badania próbek wymaga wiedzy i zdolności do kontrolowania struktury i długości impulsów promieniowania rentgenowskiego. W ramach finansowanego ze środków UE projektu SIXPAC & T-REX (Single-shot X-ray pulse duration acquisition (SiXPAc) & time-resolved X-ray spectroscopy on molecules (T-ReX)) naukowcy opracowali nowy sposób uzyskania tych informacji. Zespół zbudował nieinwazyjny model charakterystyki impulsów rentgenowskich o rozdzielczości subfemtosekundowej. Aby zmierzyć długość impulsu FEL, badacze wykorzystali spektroskopię w bliskiej podczerwieni. W tej powszechnie stosowanej technice promieniowanie laserowe w bliskiej podczerwieni nakłada się z wiązką promieniowania rentgenowskiego, przecinając rozcieńczony gaz neonowy. Po jonizacji atomów gazu przez FEL wygenerowane fotoelektrony wykrywane są za pomocą spektrometru elektronowego butelki magnetycznej. Nowa technika po raz pierwszy pozwala na bezpośrednie zmierzenie czasu trwania subfemtosekundowych impulsów rentgenowskich z dokładnością do kilkuset attosekund niezależnie od energii fotonowej. Szczegółowy opis eksperymentów znajduje się w dokumencie opublikowanym w prestiżowym czasopiśmie naukowym, Nature Photonics. Dzięki możliwości skorzystania z wiązki w laboratorium LCLS (Linac Coherent Light Source), badacze mogli przetestować tę technikę. LCLS, będące częścią SLAC National Accelerator Laboratory, to placówka prowadzona przez Uniwersytet Stanforda na zlecenie amerykańskiego Departamentu Energetyki. Dysponując najpotężniejszym rentgenowskim laserem FEL na świecie, laboratorium to było idealnym miejscem, aby przeprowadzić takie eksperymenty. Badacze opracowali również technikę pomiaru rozsynchronizowania inherentnych impulsów FEL opartą o zasadę stochastycznej, samowzmacniającej się i spontanicznej emisji. Subfemtosekundowa dokładność tej techniki ułatwi kontrolowanie względnej synchronizacji impulsów pompy UV użytych do inicjowania reakcji molekularnych w próbce oraz impulsów sondy rentgenowskiej służących ich obrazowaniu. Po pracach przygotowawczych w placówce LCLS zostały rozpoczęte eksperymenty wykorzystujące pompę UV/sondę rentgenowską. Zespół pracujący w projekcie SIXPAC & T-REX ma nadzieję zaprezentować czterowymiarowe obrazowanie dynamiki molekularnej, która może stać się początkiem nowej ery odkryć w dziedzinie biologii i badań materiałowych.