Die Teams des SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums feierten kürzlich den Abschluss einer großen Modernisierung des weltweit ersten Freie-Elektronen-Lasers für harte Röntgenstrahlung (XFEL), der Linac Coherent Light Source (LCLS), am SLAC des US-Energieministeriums Nationales Beschleunigerlabor.
Bei vollständiger Inbetriebnahme wird sein Strahl durchschnittlich 10.000-mal heller sein und 8.000-mal mehr Impulse pro Sekunde als das Original erzeugen, bis zu einer Million Impulse pro Sekunde, was grundlegende neue Erkenntnisse in den Material-, Physik-, Chemie- und Biowissenschaften ermöglicht.
Um außergewöhnliche Wissenschaft zu ermöglichen, bedarf es jedoch mehr als nur dem Schießen leistungsstarker Laserpulse auf Dinge – es bedarf auch modernster wissenschaftlicher Instrumente und Techniken, die die neuen Fähigkeiten der modernisierten Anlage nutzen und die Breite der in der Anlage durchgeführten Forschung erweitern. Hier sehen Sie, was einige dieser Instrumente und Techniken leisten können.
Aufprallende Elektronen
Zwei der neuen Instrumente des LCLS, chemRIXS und qRIXS, implementieren eine Methode namens resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS). Die Idee besteht darin, Röntgenimpulse an einem Material zu streuen und Elektronen tief im Inneren seiner Atome in höhere Energiezustände zu treiben. Durch die Messung des Lichts, das die Elektronen abgeben, wenn sie sich wieder an ihren ursprünglichen Stellen niederlassen, können Forscher die Eigenschaften eines Materials bis ins kleinste Detail untersuchen.
„RIXS ist eine Technik, die sich ziemlich schnell entwickelt hat“, sagte Georgi Dakovski, SLACs leitender Wissenschaftler für diese Instrumente. „Es ist in der Lage, uns viele nützliche Informationen über das Verhalten von Materialien zu liefern, die mit keiner anderen Methode zugänglich sind.“
Und jetzt, mit dem LCLS-II-Upgrade, kann RIXS mehr als nur statische Bilder aufnehmen, sagte Dakovski. „Wir können tatsächlich sehen, wie sich Materialien im Laufe der Zeit verändern. Wir können verfolgen, wie Energie innerhalb eines Materials fließt – indem wir das Zusammenspiel zwischen elektronischer Ladung und Spin beobachten und wie die Atome vibrieren und interagieren. Dieser Energiefluss erfolgt auf extrem schnellen Zeitskalen. Zu erfassen.“ „Dafür ist ein sehr hoher Fluss optischer Femtosekunden- und Röntgenpulse erforderlich. Hier wird LCLS-II mit seiner beispiellosen Steigerung der durchschnittlichen Helligkeit Transformationsmöglichkeiten bieten.“
Diese Fähigkeit wird sich bei der Untersuchung von Molekülen wie dem Photosystem II (PS-II) als nützlich erweisen, einem wichtigen Proteinkomplex in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien, der Wasser spaltet und so den Sauerstoff produziert, den wir atmen. Obwohl XFELs enorme Fortschritte bei der Erfassung der Zwischenzustände dieses Prozesses gemacht haben, arbeiten Wissenschaftler immer noch daran, die Übergangsmomente zwischen diesen Zuständen und den Fluss elektrischer Ladung während des Reaktionszyklus zu erfassen. Experimente bei chemRIXS werden weitere Einblicke in diesen Prozess bieten, die als Grundlage für die nächste Generation künstlicher Photosynthesesysteme dienen können, die aus Sonnenlicht und Wasser sauberere und erneuerbarere Energie erzeugen.
Bei qRIXS werden Wissenschaftler dieselbe grundlegende Technik verwenden, um die Eigenschaften von Quantenmaterialien zu untersuchen, die zu Supraleitung bei Raumtemperatur und anderen Phänomenen führen.
Von besonderem Interesse sind Kupferoxide oder Cuprate, eine Klasse unkonventioneller supraleitender Materialien, die elektrischen Strom bei unerwartet hohen Temperaturen verlustfrei transportieren können. Neuere Forschungen haben die Rolle von Ladungsdichtewellen – statische Streifen höherer und niedrigerer Elektronendichte, die durch ein Material verlaufen – und den Übergang zwischen diesen Wellen und anderen Zuständen hervorgehoben, obwohl viele Fragen offen bleiben. Mit qRIXS können Forscher diese Zustände detailliert untersuchen und so neue Einblicke in die viel diskutierten Mechanismen der Hochtemperatursupraleitung gewinnen.
Beobachten, wie Chemie entsteht
Das Time-resolved Atomic, Molecular and Optical Science (TMO)-Instrument tritt in die Fußstapfen des inzwischen ausgemusterten AMO-Instruments, bei dem Wissenschaftler eine Möglichkeit entwickelten, ultrakurze Röntgenimpulse zu messen, die nur mehrere hundert Attosekunden (oder Milliardstel) dauern eine milliardstel Sekunde).
Die Methode zur Erzeugung solch kurzer Röntgenpulse heißt X-ray Laser-enhanced Attosecond Pulse Generation (XLEAP) und liefert Pulse, die millionenfach heller sind als die Pionierarbeit, die zum Nobelpreis für Physik 2023 führte. Mit diesem Ansatz können Wissenschaftler untersuchen, wie Elektronen, die um Moleküle kreisen, wichtige Prozesse in der Biologie, Chemie, Materialwissenschaft und mehr ankurbeln.
TMO verfügt über zwei Standorte bzw. Interaktionspunkte für Messungen. Die erste ist sehr vielseitig und konzentriert sich auf die Messung von Elektronen, die von einem Atom ausgestoßen werden, wenn Röntgenstrahlen mit molekularen Proben interagieren. Das Spektrum dieser Elektronen liefert Informationen über die chemische (Bindungs-)Umgebung in der Nähe verschiedener Atome im Molekül.
Ultrakurze Pulse weicher oder energieärmerer Röntgenstrahlung bieten Wissenschaftlern eine neue Möglichkeit, transiente Energie und Ladungsflüsse – und welche Funktionen diese ermöglichen – sowohl in einfachen als auch komplexen molekularen Systemen zu untersuchen. Das Verständnis isolierter Systeme bis hin zu Atomlängen und Attosekunden-Zeitskalen hilft Forschern bei der Entwicklung neuer Katalysatoren und sauberer Energiequellen mit geringeren Auswirkungen auf die Umwelt – und bietet so eine grundlegende Grundlage für die Verbesserung der Nachhaltigkeit unserer Gesellschaft.
Der zweite Interaktionspunkt in TMO ermöglicht die Untersuchung isolierter Quantensysteme mithilfe einer Technik namens Reaktionsmikroskopie. Intensive Röntgenstrahlen interagieren mit einer molekularen Probe, entziehen ihnen Elektronen und lassen das Molekül explodieren. Das Reaktionsmikroskop sammelt die explodierenden Fragmente und rekonstruiert anhand dieser Informationen die Struktur des molekularen Systems vor dem Eintreffen des Röntgenpulses.
Diese neue Art der „Bildgebung“ liefert Einblicke in die Bewegung von Molekülen, die für viele wichtige Prozesse wie Photosynthese, Katalyse und das Herstellen und Aufbrechen chemischer Bindungen von zentraler Bedeutung ist und auf Quantenebene kaum verstanden wird.
„Nehmen wir an, Sie möchten ein Molekül betrachten“, sagte James Cryan, leitender Wissenschaftler des TMO-Instruments des SLAC. „Man kann viel über die Elektronen im Molekül lernen, indem man misst, welche Farbe (oder Energie) Röntgenstrahlen es absorbiert und wie sich diese Absorption mit der Zeit ändert. Derzeit ist es für uns eine Herausforderung, viele Farben und Zeitpunkte zu erhalten.“ Es kann mehrere Tage oder sogar mehrere Strahlzeiten dauern, um genügend aussagekräftige Daten für ein grundlegendes Verständnis zu sammeln. Die hohe Wiederholungsrate von LCLS-II wird es uns ermöglichen, sehr schnell einen vollständigen Scan des Moleküls durchzuführen. Die erhöhte Datenrate wird es uns ermöglichen um mehrere Eigenschaften des Moleküls zu messen und sie alle miteinander zu korrelieren, um ein besseres Verständnis seiner Funktionsweise zu erlangen.“
Ausgestattet mit seinen neuen Fähigkeiten und einem aktualisierten Instrumentenpaket wird LCLS-II Forschern dabei helfen, eine Vielzahl großer Herausforderungen in der Wissenschaft zu bewältigen, indem detaillierte Schnappschüsse schneller Prozesse erfasst werden, die außerhalb der Reichweite anderer Lichtquellen liegen.