Kleine röntgenbron voor onderzoek van atomaire structuren

Met de ontwikkeling van een intense, maar vooral compacte bron van röntgenstraling maakt een groep Duitse natuurkundigen het onderzoek van de structuur van moleculen en de opbouw van materie op atomaire schaal op slag een stuk eenvoudiger. Tot nu toe moesten onderzoekers speciaal meettijd aanvragen voor hun experimenten bij een van de tientallen synchrotrons, cirkelvormige elektronenversnellers met een diameter van tot wel een paar honderd meter. De röntgenbron van Matthias Fuchs en collega’s van het Max Planck Instituut en de Ludwig Maximilians-Universiteit in Garching past echter op twee flinke labtafels, en komt straks in principe binnen het bereik van elke universiteit. Daarnaast zijn de röntgenpulsen van Fuchs en collega’s veel korter dan die uit een synchrotron, waardoor het mogelijk wordt veel snellere processen te volgen zoals die zich bijvoorbeeld afspelen tijdens chemische reacties (Nature Physics, 5 oktober).

In een synchrotron wordt röntgenstraling opgewekt door een kluitje elektronen eerst in een cirkelvormige versneller tot vlak bij de lichtsnelheid op te jagen, en ze dan met behulp van magneten heen en weer te slingeren. Daarbij komt intense röntgenstraling vrij. In principe doen Fuchs en collega’s precies hetzelfde, al hebben ze daarvoor veel minder ruimte nodig. Ze schieten ultrakorte laserpulsen – van enkele femtoseconden, een miljardste microseconde – op een buisje met waterstof. Het intense elektrisch veld van die pulsen trekt de elektronen weg van de waterstofatomen, waarna ze door de positieve atoomkernen weer worden teruggetrokken. Dit proces herhaalt zich en er ontstaat een soort schokgolf. Sommige elektronen weten aan het waterstof te ontsnappen. Ze surfen mee op de schokgolf en worden zo over een afstand van slechts enkele centimeters tot enorme hoge snelheden voortgestuwd. Door ze tenslotte, net als in een synchrotron, met behulp van magnetische lenzen af te buigen, komt intense röntgenstraling vrij met een golflengte van 18 nanometer. Deze straling vindt haar toepassing in heel verschillende onderzoeksgebieden, zoals het onderzoek naar nieuwe medicijnen en materialen, de nanotechnologie en zelfs binnen de fundamentele natuur- en scheikunde. Rob van den Berg