Banbrytande metod för att fånga detaljerade ögonblicksbilder av elektronernas rörelse

Med en ny superupplösande röntgenmetod, s-SXRS (stochastic Stimulated X-ray Raman Scattering) kommer forskare kunna ta ultrasnabba bilder av elektronstrukturer nära specifika atomer. Den nya metoden gör det möjligt att se fler detaljer i röntgenspektra och därmed identifiera energinivåer som ligger nära varandra i atomer. Detta ger en ökad förståelse för elektronernas rörelser och hur de växelverkar.

I studien har forskarna med intensiva röntgenpulser från frielektronlasern European XFEL i Hamburg lyckats stimulera så kallade resonanta Ramanprocesser i atomer. Resonanta Ramanprocesser är viktiga för laserexperiment där man studerar och påverkar material på attosekundsskalan, 10^–18 s, som är den tidsskala som är typisk för elektronernas rörelse.

– Den här typen av experiment kan liknas vid laserexperiment. Men skillnaden är att man med röntgenljus även kan se var elektronerna befinner sig. Man kan därigenom följa elektronernas ringdans, när de ”spinner förblivandets puppor”, som Harry Martinson, som fick Nobelpriset i litteratur 1974, redan måste ha sett inom sig i sin dikt Elektronerna, säger Jan-Erik Rubensson, professor vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

I den nya röntgenmetoden s-SXRS använder forskarna intensiva röntgenpulser för att excitera elektroner i atomer. När röntgenstrålarna passerar genom en gas förstärks de så kallade Ramansignalerna, en typ av röntgenfingeravtryck som ger information om exciterade elektroniska tillstånd, nästan en miljard gånger. Förhållandet mellan röntgenpulserna som skickas genom gasen och de Ramansignaler som kommer ut analyseras med en spektrometer som är utvecklad och byggd vid Uppsala universitet för drygt 40 år sedan.

– Förlagan till spektrometern konstruerades redan under min tid som doktorand på 80-talet. Vi tog med oss spektrometern till olika synkrotroner i världen och använde den tillsammans med synkrotronljuset. Detta var de första stegen mot resonant inelastisk mjukröntgenspridning (Resonant Inelastic X-ray Scattering, RIXS), en metod som nu används världen över för studier av material och kemiska processer. Det är fantastiskt att detta instrument, nu i en modifierad och förbättrad version, är central i utvecklingen av metoder vid de nya frielektronlaseranläggningarna. Det är tack vare den unika samverkan mellan forskare, konstruktörer och instrumentmakare vid Ångströmlaboratoriets verkstad vid Uppsala universitet som spetsforskning av den här typen blir möjlig, säger Jan-Erik Rubensson.

Det har tidigare varit svårt att genomföra kontrollerade experiment med ljuspulser från frielektronlasrar då pulsernas våglängd och varaktighet varierar slumpmässigt från puls till puls. Men med den nya röntgenmetoden s-SXRS har ljuspulsernas slumpmässighet istället öppnat upp nya möjligheter.

Genom att använda sig av en ny statistisk metod för att koppla ihop de inkommande röntgenpulserna med de utsända Ramansignalerna, går det att utläsa detaljerad information ur komplexa data från det som tidigare tidigare betraktades som brus. Den statistiska metoden påminner om den metod man använder i optiken för att nå superupplösning. Den gör att man kan avbilda med en precision som egentligen inte borde vara möjlig och där det ur en pixlig bild kan framträda detaljer som tidigare var suddiga eller osynliga.

Man kan föreställa sig många praktiska tillämpningar av s-SXRS framöver. Den kan till exempel leda till insikter om hur kemiska bindningar bildas och bryts, vilket ger en djupare förståelse för grundläggande processer som är relevanta för kemisk analys. Den kan också ge kunskap som är avgörande för att utveckla nya material med specifika elektroniska egenskaper, som är viktigt för framtida elektronik och nanoteknik.

– De nya resultaten innebär ett genombrott i utvecklingen mot att kunna använda laserlika metoder vid röntgenvåglängder, och tar oss närmare drömmen att kunna filma vad de ultrasnabba elektronerna har för sig i materien. I en molekyl kan man starta en process på en atom, och se vad som händer när elektronvågen kommer till en annan. Kanske kan den andra ljuspulsen till och med styra vågen och därmed också de kemiska reaktioner molekylen är inblandad i säger Jan-Erik Rubensson.

Camilla Thulin