Röntgenpulsen die niet langer dan 300 femtoseconden duren

Röntgendiffractie is al tientallen jaren lang een veelgebruikte techniek om de structuur van moleculen op te helderen: röntgenstraling heeft immers een golflengte van de orde van de grootte van een atoom. Nu bewegen atomen zich in het algemeen razendsnel.

Zo verlopen in een chemische reactie de verschillende stappen soms al binnen een miljoenste van een miljoenste seconde. Als je daar met röntgenlicht nog enig zicht op wilt krijgen, moet je snel zijn. Sinds kort kan dat. In het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië zijn fysici erin geslaagd röntgenpulsen op te wekken, die niet langer dan 300 femtoseconden duren (Science, 11 oktober 1996, pag. 236 en 201). Een femtoseconde is een biljardste seconde. Hoewel de daarvoor ontwikkelde opstelling veel compacter is dan een synchrotron, dat bij dergelijke studies tot nu toe het meest gebruikt werd, is het zeker niet te verwachten dat een dergelijke röntgenbron binnenkort in elk laboratorium te vinden zal zijn. Er zijn namelijk ten minste een elektronenversneller en een zeer geavanceerd lasersysteem voor nodig.

Het principe achter het opwekken van röntgenpulsen is betrekkelijk eenvoudig. Een zeer intense lichtpuls wordt loodrecht afgeschoten op een elektronenbundel. Door het laserlicht worden de elektronen in trilling gebracht, waarna ze zelf ook licht gaan uitzenden. Dit fenomeen, Thomson verstrooiing, werd al in de negentiende eeuw voor het eerst door de Engelse natuurkundige J.J. Thomson beschreven. Tot zover is er dus niets nieuws onder de zon. De elektronen werden echter van tevoren enorm versneld tot net iets onder de lichtsnelheid. Daardoor schuift de golflengte van het verstrooide licht enorm op. Van de infrarode laserbundel wordt zo een röntgenbundel gemaakt: een soort Doppler-effect dus. Door bovendien de elektronenbundel sterk te focusseren, was er maar een heel korte overlap mogelijk tussen de oorspronkelijke laserpuls en de elektronen in de bundel: vandaar de femtoseconde resolutie. Het moeilijkste bleek nog om de korte pulsen te detecteren; daar moest speciale apparatuur voor worden ontwikkeld.

In principe heeft men nu een enorm krachtig onderzoeksinstrument in handen gekregen. De golflengte van de röntgenpulsen kan immers worden gevarieerd door bijvoorbeeld de energie van de elektronenbundel te veranderen. Zo kan alles precies op het te onderzoeken systeem worden afgestemd. Bovendien geven de onderzoekers aan dat de intensiteit van de bundel - die nog erg laag is - relatief eenvoudig vele malen groter kan worden gemaakt.

Eén van de eerste toepassingen zal een studie zijn van het smelten van vaste stoffen. Als warmte wordt toegevoerd aan een kristal, zullen de atomen daarin steeds harder gaan trillen, totdat de geordende rangschikking van de vaste stof overgaat in de wanorde van de vloeistof. Voor het eerst zal zo het gedrag van de atomen bij een dergelijke faseovergang werkelijk in beeld kunnen worden gebracht. Daarnaast is het natuurlijk ook de bedoeling de atomen te gaan volgen tijdens chemische reacties.

    • Rob van den Berg