Pressmeddelande: ​Atombiljard avslöjar kemiska reaktioner på elektronnivå

2020-09-24

Forskare vid Uppsala universitet har i samarbete med kollegor vid Max Born-institutet i Berlin och röntgenlasern European XFEL introducerat atombiljard för fundamentala studier av ultrasnabba förlopp.

Biljardbord
Forskarna har börjat med att låta en första röntgenfoton ta bort en innerelektron. Samtidigt ger fotonen atomen en liten stöt, som om den vore en biljardkö och atomen ett biljardklot.
Foto/bild: Matton
Atombiljard med röntgenlasern European XFEL
Med den nya metoden kan man skilja på två olika
mekanismer i samspelet mellan röntgenfotoner och
materia. 1) Den välkända process där en atom först
absorberar en foton från ljuskällan och sedan
emitterar en annan bildar en utspridd bakgrund på
detektorn. 2) Den exotiska och svåråtkomliga process
där två röntgenfotoner från ljuskällan påverkar
atomen ger upphov till en skarp grön linje.
Bild: Stefan Eisebitt, Max Born Institute

Otto Stern fick Nobelpris i fysik 1943 för sitt arbete med strålar av atomer och molekyler. Detta arbete ledde till många fundamentala upptäckter, och genom åren har det utvecklats mängder av mätmetoder och tekniker där atomstrålar är självklara komponenter. Speciellt har kombinationen med korta intensiva laserpulser (Nobelpris i fysik 2018 till Gérard Mourou och Donna Strickland) varit fruktbar.

Om man kunde använda sådana lasermetoder med kortvågigt röntgenljus skulle man få en unik inblick i hur elektroner och atomkärnor rör sig i materia. Det är bland annat denna vision som motiverat uppbyggnaden av storskaliga frielektronlaseranläggningar, och det ser ut som om de håller på att förverkligas. När nu världens största frielektronlaser, European XFEL i Hamburg kommit i bruk (2017) har man kommit ett stort steg närmare.

– Det innebär emellertid också stora utmaningar, och trots avancerade spektroskopiska undersökningar har utvecklingen gått ganska trögt. Man har stött på begränsningar, framförallt i form av bakgrund från mindre intressanta processer som pågår i det intensiva röntgenljuset. Det vi har gjort är bara en första demonstration och nu ska det bli spännande att se hur långt vi kan komma med den här metoden, säger Jan-Erik Rubensson, professor i fysik vid Uppsala universitet.

Forskningssamarbete med forskare i Tyskland

Den nya metoden utvecklas i ett forskningssamarbete mellan forskare vid Uppsala universitet och forskare från Max Born-institutet i Berlin och European XFEL i Hamburg. I forskningsartikeln redovisas hur de börjat med att låta en första röntgenfoton ta bort en innerelektron. Samtidigt ger fotonen atomen en liten stöt, som om den vore en biljardkö och atomen ett biljardklot. Innan något annat hinner hända stimulerar nästa foton en annan elektron att ta den förstas plats och därmed får atomen en stöt till. Hur dessa stötar går till ser man direkt i avlänkningen av atomerna i strålen. Det fina med metoden är att man slipper den besvärliga bakgrund som alternativa metoder har begränsats av.

– Hittills har vi fått nöja oss med att se vad som händer med energin som atomen tar upp. Kunde vi välja ut vilken elektron som tar innerelektronens plats skulle vi kunna se precis hur vågfunktionen utvecklas, ja kanske till och med kunna styra vad som händer på atomnivå. I förlängningen kan det ha betydelse för hur vi förstår kemiska reaktioner med viktiga tillämpningar, till exempel i utveckling av solceller och batterier, säger Jan-Erik Rubensson.

För mer information:

Professor Jan-Erik Rubensson, professor i fysik vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, e-post: jan-erik.rubensson@physics.uu.se, telefon: 070-425 04 80, 018-471 35 54

Publikation

U. Eichmann et al. (2020); Photon-Recoil Imaging: expanding the view of nonlinear X-ray physics, Science, DOI: 10.1126/science.abc2622

Tidigare forskning:

Forskning: Radikal molekyl genomskådad

Jonisation av vatten; en ultrasnabb historia om hur radikaler bildas

Elin Bäckström