Resonant mjukröntgenspridning för studier av atomer och molekyler

Projekttitel: Resonant mjukröntgenspridning för studier av atomer och molekyler
Huvudsökande: Jan-Erik Rubensson, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik
Beviljade medel: 3 659 000 SEK för perioden 2018-2021
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

För att förstå materians egenskaper på ett grundläggande plan måste man veta vad elektroner och atomkärnor har för sig. Spektroskopi och ljusspridning är de främsta redskapen för att kartlägga deras rörelser, och mest elegant gör man det med ljus i våglängdsområdet 10-100 Ångström. Med sådant ljus kan man i detalj undersöka hur elektronerna rör sig i närheten av specifika atomkärnor, och man kan direkt se hur en liten störning fortplantar sig i materialet på den tidsskala som är typisk för kemiska reaktioner. Experimentellt är detta en stor utmaning och det var länge mest en dröm. Ett steg mot att realisera denna dröm togs i slutet av 1980-talet när vår forskargrupp visade att man kan mäta resonant mjukröntgenspridning (Resonant Inelastic Soft X-Ray Scattering (RIXS)) vid synkrotronljuskällor. Detta skapade ett forskningsfält som efter en ganska sömnig start nu växer lavinartat.

Många grupper över hela världen använder och förfinar metoden och framförallt är det den nya generationens synkrotronljusanläggningar som gör att vi kan mäta med en precision som är tusentals gånger bättre än den vi nådde i de första mätningarna.

I RIXS-processen exciteras först en elektron från en innerskalsnivå. Eftersom en sådan resonans är specifik för vissa atomer i ett material innebär det här en lokal störning, atomerna i närheten upplever att den potential där de befunnit sig plötsligt ändras och den vågfunktion som beskriver deras position börjar ändra sig. Bara efter några femtosekunder fylls vakansen i innerskalsnivån, kanske av samma elektron som exciterades i första steget, så att systemet kommer tillbaka till sitt elektroniska grundtillstånd. I den mån atomkärnorna har hunnit röra på sig kommer vibrationer i det elektroniska grundtillståndet att exciteras. Då ger RIXS-spektrets vibrationstoppar en karta på den potentialyta som just den studerade atomen har att röra sig på. Man kan likna ett fast material vid ett fjädersystem med upphängda kulor, där fjädrarna representerar kemisk bindning och kulorna atomkärnor. RIXS-processen väljer nu ut en av kulorna, sätter fart på den och mäter vilka vibrationer som blir resultatet. På det sättet kan man bestämma fjädrarnas (bindningarnas) styrka. För att detta ska fungera måste man mäta med en precision som gör det möjligt att se enskilda vibrationsexcitationer. Att det är möjligt har vi demonstrerat, inte bara för enkla fall med små fria molekyler, men också för vätskor och komplicerade molekylära material. I de enkla molekylerna innebär precisionen att både fundamental molekylfysikteori och vår fysikaliska intuition sätts på prov. I ett exempel sätter första steget av RIXS-processen igång en dissociation av syremolekylen, på ett sådant sätt att atomerna kan ha två olika hastigheter. Eftersom atomerna har vågnatur interfererar de på samma sätt som tonerna från ett ostämt instrument, och på samma sätt blir det svävningar om tonernas våglängd är lite olika; dessa kvantsvävningar ser vi direkt i spektrum. I de kondenserade systemen, både i vätska och fastfas, är frågan hur mycket av molekylens omgivning som påverkar den lokala potentialen. Här ser vi att molekylerna i flytande aceton beter sig nästan som om det vore fria, medan vattenmolekylerna i flytande vatten påverkas mycket av sin omgivning. Den här typen av experiment ger mera information ju högre precisionen är. För de vibrationsupplösta mätningarna har vi använt dagens bästa experimentuppställning vid Swiss Light Source. För att komma vidare planerar vi RIXS-uppställningar vid MAX IV där vi kan göra mätningar som överglänser alla dagens existerande och planerade RIXS-experiment.

En ny överraskande vändning för RIXS-spektroskopin kommer från de nya fri-elektron-lasrarna. De ger ifrån sig så intensiva röntgenpulser att den stimulerar emission från innerskalstillstånden så att emissionen blir starkare än alla andra sönderfallskanaler: då får vi ett laserliknande sekundärljus från provet som innehåller information om den snabba dynamiken i systemen. Dessutom är pulserna så korta att man direkt kommer åt elektronernas och kärnornas tidsskala i ultrasnabba start-och-stopp experiment. För att ta till vara dessa nya möjligheter bygger vi ett instrument som vi snart ska installera vid den europeiska röntgenlasern (European XFEL) i Hamburg.