29/06/2018
Door Ad Spijkers
Vrije elektronen lasers (FEL) genereren ultrakorte, zeer intensieve röntgenflitsen, maar deze variëren en lengte en energie. Een internationaal onderzoeksteam heeft hiervoor een oplossing gevonden.
Met deze röntgenflitsen kunnen onderzoekers structuren met de doorsnede van een waterstofatoom herkennen. Hierdoor kunnen biomoleculen in de hoogste mogelijke resolutie worden weergegeven waardoor nieuwe inzichten in de nanokosmos van de natuur ontstaan.
Schiet men twee van zulke flitsen snel achter elkaar op een monster, dan krijgt men zelfs informatie over de structurele veranderingen tijdens een reactie. Een eerste puls initieert de reactie, met een tweede laserstraal wordt gemeten hoe de structuur door de reactie verandert. Maar deze technologie heeft een beperking: het verloop van de intensiteit en de lengte van de röntgenflitsen varieert in de tijd van flits naar flits, waardoor het beeld onscherp blijft.
Een door fysici van de Technische Universität München geleid internationaal team heeft een oplossing gevonden. Met een circulair gepolariseerde infraroodlaser en een ring met zestien detectoren kunnen ze het verloop en de energie van elke puls in de tijd nauwkeurig meten. Daarmee worden de resultaten van de afzonderlijke pulsen vergelijkbaar.
Stopwatch voor attoseconden
De energetische veranderingen in een molecuul tijdens een reactie zijn zo ongelooflijk fijn en snel dat we die alleen met extreem korte pulsen kunnen waarnemen. Het onderzoeksteam maakte gebruik van de röntgenflitsen van het Linac Coherent Light Source van het SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park (Californië), dat onderdeel is van Stanford University.
In de monsterkamer jagen ze elektronen uit neon-atomen. Als die worden geraakt door een infrarode lichtimpuls, worden ze door het elektronisch veld hiervan versneld of afgeremd, afhankelijk van de veldsterkte die de lichtpuls heeft op het moment dat het elektron wordt getroffen.
De circulaire polarisering van de infraroodpuls geeft het elektronen bovendien een richting. Met een ring van zestien detectoren zijn de energie en duur van de oorspronkelijke röntgenpuls met een nauwkeurigheid van attoseconden (10-18 s).
De informatie over zowel de energieverdeling als de pulsstructuur in de tijd moet het in de toekomst mogelijk maken heel specifiek afzonderlijke reactieplaatsen in gecompliceerde moleculen te initiëren en hun invloed op het verloop van de veranderingen tijdens de reactie real-time te volgen.
Vrije elektronen lasers
De techniek kan ook worden gebruikt om de ontwikkeling van vrije elektronenlasers zelf te stimuleren. De onderzoekers krijgen een directe terugmelding over de pulsstructuur terwijl de FEL in bedrijf is. Zo kunnen ze gericht röntgenflitsen met vastgestelde duur of energetische eigenschappen opwekken.
De nieuwe techniek is ook interessant voor onderzoek aan de nieuwe Europese X-ray Free-Electron Laser (Eu-XFEL) in Hamburg. De technologie kan verder worden toegepast in het Centre for Advanced Laser Applications (CALA) dat in Garching bij München in aanbouw is. Hier moeten met behulp van op lasers gebaseerde röntgenmethoden voor vroegtijdige herkenning en therapie van chronische ziekten worden ontwikkeld.
(foto: Terry Anderson / SLAC National Accelerator Laboratory)