Tema

Atombiljard avslöjar kemiska reaktioner på elektronnivå

Uppsalaforskare spelar atombiljard vid röntgenlasern European XFEL. Genom att låta lasern stöta bort enstaka elektroner från atomer hoppas de kunna studera ultrasnabba förlopp. På sikt skulle man kunna förstå viktiga kemiska reaktioner, till exempel vid utveckling av solceller. Och kanske till och med kunna styra vad som händer på atomnivå.

Den tyske fysikern Otto Stern fick Nobelpris i fysik 1943 för sitt arbete med strålar av atomer och molekyler. Detta arbete har lett till många fundamentala upptäckter inom fysiken. Under åren har det utvecklats mängder av nya mätmetoder och tekniker där atomstrålar är självklara komponenter. Särskilt har kombinationen med korta intensiva laserpulser varit fruktbar, något som gav Nobelpris i fysik till Gérard Mourou och Donna Strickland 2018.

Lasermetoder ger inblick i atomkärnan

Sådana lasermetoder, med kortvågigt röntgenljus, skulle kunna användas för att ge en unik inblick i hur elektroner och atomkärnor rör sig i materia. Det är bland annat denna vision som motiverat uppbyggnaden av storskaliga så kallade frielektronlaseranläggningar.

Sedan världens största frielektronlaser, European XFEL i Hamburg kom i bruk 2017 har forskningen kommit ett stort steg närmare att förverkliga denna vision.

XFEL avslöjar strukturen hos atomer och molekyler

Den europeiska röntgenfrielektronlasern XFEL (X-ray Free Electron Laser) är en stor forskningsanläggning i Hamburg, Tyskland. I en 3,4 kilometer lång tunnel under marken skapas extremt intensiva ljuspulser av röntgenstrålar. Röntgenlasern används av forskare över hela världen och öppnar nya möjligheter för forskning inom materialvetenskap, strukturbiologi och femtosekundskemi. Med hjälp av anläggningen kan de till exempel studera atomdetaljer i virus och filma kemiska reaktioner på atomnivå.

Källa: XFEL.se, Vetenskapsrådet

– Det innebär emellertid också stora utmaningar, säger Jan-Erik Rubensson, professor i fysik vid Uppsala universitet. Trots avancerade spektroskopiska undersökningar har utvecklingen gått ganska trögt. Man har stött på begränsningar, framförallt i form av bakgrundsstrålning från mindre intressanta processer som också pågår i det intensiva röntgenljuset.

Hans forskargrupp 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.

– 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.

Atomen som ett biljadklot

I den publicerade studien 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 avledningen av atomerna i strålen. Det fina med metoden är att man slipper den besvärliga bakgrund som alternativa metoder har begränsats av.

Mekanismer i samspelet mellan röntgenfotoner och materia. Bild: Uppsala universitet

Vill styra vad som händer på atomnivå

– 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 så 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.

Vetenskaplig artikel:

Photon-recoil imaging: Expanding the view of nonlinear x-ray physics, (U. Eichmann et al. (2020)), Science

Kontakt:

Jan-Erik Rubensson, professor i fysik vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, jan-erik.rubensson@physics.uu.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Atombiljard avslöjar kemiska reaktioner på elektronnivå

 lästid ~ 3 min