Projektbeschreibung
Neuartige effiziente Fernfeld-Bildgebung für Studien im Nanobereich
Nanoskalige Prozesse sind in einer Reihe von Bereichen von der Biologie bis zur Chemie von großem wissenschaftlichem Interesse. Ein besseres Verständnis ihrer Funktionsweise könnte eine ganze Reihe von Vorteilen bieten. Leider ist kein Fernfeld-Bildgebungsverfahren in der Lage, Funktionen im Nanomaßstab effizient zu untersuchen, da entweder die zeitliche oder die räumliche Auflösung für eine Untersuchung nicht ausreicht. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts HIGH-Q wird ein neuartiges Fernfeld-Bildgebungsverfahren entwickelt, bei dem Freie-Elektronen-Röntgenlaserpulse, ultraschnelle kohärente Beugungsbilder, ultraschnelle Röntgenstrahlen und Rekonstruktionsalgorithmen zum Einsatz kommen, die eine effiziente Untersuchung von Prozessen im Nanobereich fördern. Dieses Projekt wird große wissenschaftliche Fortschritte u. a. in den Bereichen Photochemie, Material- und Katalysewissenschaften begünstigen.
Ziel
Our ability to observe processes and study function at the nanoscale is hindered by the compromise between temporal and spatial resolutions inherent to the majority of far-field imaging techniques. This limits our perspective on a wide range of non-equilibrium processes at the nanoscale such as chemical/catalytic reactions, ultrafast phase-transitions and biological processes at room temperature in native phase. Intense and spatially coherent femtosecond-short X-ray flashes from free-electron laser (XFEL) sources can combine high spatial and temporal resolutions through 'diffraction-before-destruction' coherent diffractive imaging (CDI) of individual nano-specimens within a single exposure. XFEL CDI studies have found surprising variety of morphologies in soot, unknown metastable shapes of metal nanoparticles and exotic states of water, which are otherwise inaccessible. PI and colleagues applied this technique to follow an ultrafast irreversible laser-superheating process with few nanometers spatial and 100 femtosecond temporal resolutions at the single nanoparticle level.
Despite significant efforts, the spatial resolution of single XFEL CDI images of non-periodic specimen could not be improved beyond few nanometers. This proposal will overcome this limit by exploiting previously little explored phenomena which arise when specimen are exposed to newly available intense 500 attosecond to few femtosecond short FEL pulses. All matter exposed to intense X-rays is photo-ionised. When XFEL pulses are comparable or shorter than subsequent relaxation processes, non-linear effects such as transient resonances and resonant stimulated emission increase the brightness of images by several orders of magnitudes and significantly improve the spatial resolution. In combination with sparsity based reconstruction algorithms this proposal will push ultrafast CDI towards the single macromolecule limit and open novel avenues for photochemistry, catalysis, and material studies.
Wissenschaftliches Gebiet
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
HORIZON-ERC - HORIZON ERC GrantsGastgebende Einrichtung
20148 Hamburg
Deutschland