Esta animación muestra la técnica de imagen "sonda antes de destruir" que fue posible gracias al láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC. A la izquierda, Los rayos X de mayor duración producidos por instalaciones de investigación más convencionales pueden destruir o dañar las muestras a medida que las atraviesan. lo que puede dificultar la captura de imágenes de alta calidad antes de que se produzcan daños. El ultrabrillante pulsos de rayos X ultracortos en LCLS, Derecha, puede recopilar los datos necesarios para generar imágenes en el instante antes de que la muestra se dañe, preservando las características intactas de partículas como células y virus. Crédito:Chris Smith / Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory
Láseres de rayos X de electrones libres, como la fuente de luz coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, producen intensos pulsos de rayos X que permiten a los investigadores obtener imágenes de objetos biológicos, como proteínas y otras máquinas moleculares, en alta resolución. Pero estos poderosos rayos pueden destruir muestras delicadas, desencadenar cambios que pueden afectar el resultado de un experimento e invalidar los resultados.
Para combatir esto, los investigadores utilizan un método llamado sonda antes de destruir, lo que les permite recopilar información precisa de las muestras en el instante antes de que exploten, generar imágenes que preservan información sobre la estructura molecular de partículas biológicas como las células, proteínas y virus. Pero hasta hace poco no estaba claro cuánto se podía confiar en este método para medir el comportamiento de los electrones, ya que los rayos X potentes pueden afectar a los electrones mucho más rápido que a los átomos. Esto podría limitar la aplicabilidad de la técnica a procesos químicos ultrarrápidos, como los que participan en la catálisis.
Ahora, un equipo dirigido por los científicos de SLAC Roberto Alonso-Mori, Dimosthenis Sokaras y Diling Zhu han encontrado una manera de tener una idea precisa de cómo sintonizar el haz de rayos X para asegurarse de que la estructura electrónica no se dañe antes de medirla. proporcionando una mayor confianza en los resultados de los experimentos XFEL. En una primera el equipo observó cómo se comportaban los electrones en los primeros femtosegundos, o millonésimas de mil millonésimas de segundo, después de que una muestra de hierro fuera disparada con intensos pulsos de láser. Sus resultados, publicado recientemente en Informes científicos , demostrar cómo las propiedades específicas del haz de rayos X, como la duración o la intensidad del pulso, puede afectar los electrones más externos de un átomo, que son los que participan en la formación y ruptura de enlaces durante las reacciones químicas.
Los resultados permitirán a los científicos afinar los experimentos de sondas de bombas, en el que un pulso de láser inicia una reacción en una muestra y un pulso de rayos X mide inmediatamente el reordenamiento de los electrones. Variando el tiempo entre el láser y los pulsos de rayos X, los investigadores pueden crear una serie de imágenes y encadenarlas en una película en cuadro de diálogo movimientos rápidos, ofreciendo información sobre las reacciones químicas activadas por la luz.
Esta ilustración muestra un pulso de láser óptico (rojo) y un pulso de láser de rayos X (azul claro) que golpea una muestra. El uso de pulsos láser sincronizados en el mismo experimento, conocida como la técnica "bomba-sonda", es común para el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac de SLAC, y una herramienta de cronometraje desarrollada por un equipo internacional permite mediciones más precisas del tiempo de llegada de los pulsos láser al LCLS. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
"Estos experimentos son una herramienta clave en el programa de investigación de nuestro equipo, "Dice Sokaras." La capacidad de acceder cuidadosamente al rango 'aceptable' de condiciones de LCLS nos permitirá realizar estudios de bomba-sonda que son confiables y sin precedentes ".
El equipo trabajó en estrecha colaboración con el grupo de aceleradores LCLS para entregar pulsos de rayos X incluso más cortos de lo habitual para estudiar cómo se reorganizaron los electrones en los primeros femtosegundos de la explosión. Una cámara de rayos de electrones, el XTCAV, fue fundamental para medir con precisión la longitud de los pulsos de rayos X.
Alonso-Mori dice, "El estudio valida los métodos que se han utilizado en LCLS en los últimos años, resolviendo el debate sobre si son válidos o si los datos recogidos ya están alterados en los primeros femtosegundos por los intensos pulsos de rayos X ".
Para dar seguimiento a esta investigación, el equipo espera sondear la estructura electrónica con una intensidad aún mayor, aprovechando los avances recientes en la configuración y el control del haz de rayos X.
"Esto se puede utilizar para comprender mejor las etapas iniciales de los procesos de formación de materia densa cálida en los XFEL, "dice Zhu, "que ofrecen información sobre la formación y evolución de los sistemas planetarios".
