Holografie met röntgenstralen onthult 3D-structuur kristal

Röntgenstralen zijn onmisbaar bij de structuuropheldering van vaste stoffen. De standaard diffractiemethoden, waarbij een röntgenbundel wordt verstrooid aan een kristal of een poeder, hebben echter allemaal één nadeel: zij leveren slechts informatie over de intensiteit van de verstrooide bundel, niet over de fase ervan. Daarom kan een diffractiepatroon niet eenvoudig met behulp van mathematische methoden worden teruggerekend naar een structuur, en zijn indirecte, proefondervindelijke methoden noodzakelijk.

Nu is er wel degelijk een manier om fase-informatie vast te leggen. De Engels-Hongaarse fysicus Dennis Gabor ontwikkelde daarvoor de holografische methode. Hierbij worden de verstrooide en de oorspronkelijke golf samengebracht, waardoor ze interferentie vertonen. De fase van elk van beide golven wordt zo als het ware in de intensiteit van het interferentiepatroon vastgelegd. Waar beide golven op dezelfde wijze trillen, ontstaan maxima, en waar ze elkaar tegenwerken minima. Zo kan zelfs drie-dimensionale informatie (in beelden) worden vastgelegd.

Nu is het relatief makkelijk om hologrammen te maken met behulp van zichtbaar licht, maar dit heeft een veel te grote golflengte om er atomen mee af te beelden. Theoretisch moest het ook mogelijk zijn met röntgenstralen, die een golflengte hebben vergelijkbaar met de afstand tussen de atomen in een vaste stof. Experimenteel bleek het echter lang niet eenvoudig, want om een hologram op te nemen moet de gebruikte straling voldoende monochromatisch (van één golflengte) zijn.

Via een truc hebben twee Hongaarse fysici dat onlangs voor elkaar gekregen (Nature, 7 maart). Zij bestraalden een kristal van SrTiO met een hoogenergetische röntgenbundel. Hierdoor werd er in de strontiumatomen zogenaamde röntgenfluorescentie opgewekt, röntgenstraling met een langere golflengte. Een deel daarvan wordt verstrooid aan de buuratomen, en een ander deel kwam ongehinderd het kristal uit. De interferentie van deze twee bundels - en daarmee het hologram van de strontiumatomen - kon over een grote hoek worden opgenomen. Hieruit kon de 3D-structuur van de atomen worden berekend. En dit ondanks de erg lage intensiteit van het verstrooide licht.

Wanneer in de toekomst röntgenbundels van synchrotrons worden ingeschakeld, die veel krachtiger zijn, en er bovendien snellere en betere detectoren worden ontwikkeld, zal het resultaat alleen maar verbeteren. Wellicht wordt het zo mogelijk de lokale omgeving van metaalatomen in biologische moleculen af te beelden.