Seminar - 4. letnik

Slikanje v atomski resoluciji tako v prostoru kot času

Avtor: Matevž Majcen Hrovat

Mentor: prof. dr. Dragan Mihailovid

Ljubljana, maj 2011

Povzetek

V seminarju bom predstavil nove tehnike, ki jih je omogočil laser na proste elektrone za opazovanje hitre dinamike v snovi. Predstavil bom nekaj primerov dinamike na nano- in pikosekundni skali, ter pokazal postavitev eksperimenta za gledanje na femtosekundni skali. Na koncu pa predstavil eksperiment, ki so ga naredili na LCLS, opazovanje nanokristalov s femtosekundnim rentgenskim laserjem.

1

Kazalo 1 Uvod ........................................................................................................................................................... 1

2 Laser na proste elektrone ........................................................................................................................... 2

2.1 LCLS ...................................................................................................................................................... 3

3 Iz 3D v 4D .................................................................................................................................................... 4

4 Slikanje z ultrahitrim rentgenskim laserjem ............................................................................................... 5

4.1 Slikanje posameznih mikrodelcev ....................................................................................................... 5

4.2 Gledanje časovne dinamike ................................................................................................................. 7

4.3 Pump-Probe metoda ........................................................................................................................... 9

5 Eksperiment: Femtosekundna rentgenska nanokristalografija proteina Photosystem I ......................... 10

6 Razvoj in uporaba tehnik .......................................................................................................................... 12

7 Zaključek ................................................................................................................................................... 13

8 Literatura .................................................................................................................................................. 14

1 Uvod

S kristalografijo z rentgenskimi žarki se že veliko let določa zgradba in delovanje mnogih bioloških molekul. Če želimo gledati še dinamiko ali spremembe takih molekul, potrebujemo rentgensko svetlobo v zelo kratkih pulzih. S kratkimi pulzi lahko opazujemo spremembo struktur v času ali pa naredimo veliko število eksperimentov v kratkem času. Svetloba pa mora biti čim bolj monokromatska z visoko močjo in koherenco, če želimo zadostno ločljivost. Z laserjem na proste elektrone dobimo vse te lastnosti boljše kot kjer koli drugje [1]. Poleg tega ima tak laser na voljo zelo širok spekter elektromagnetnega valovanja. Velike moči, svetlosti, koherence, majhne širine spektralne črte in kolimacija laserjev nam da boljše rezultate (slike, spektre,...) z manj šuma. Z uporabo femtosekundnih rentgenskih laserjev lahko gledamo snovi, ki je z navadno rentgensko kristalografijo zelo težko ali nemogoče. Primer tega je gledanje dinamiko snovi. V tem primeru moramo narediti veliko slik s kratkim časom izpostavljenosti, da ohranimo ločljivost. Z uporabo femtosekundnih rentgenskih laserjev lahko gledamo nanometrske spremembe, ki se odvijajo pa piko- in femtosekundni skali.

2

2 Laser na proste elektrone

Osnovni princip na podlagi katerega deluje laser na proste elektrone in sploh vsi izvori sinhrotronske svetlobe je dejstvo, da pospešeni nabiti delci sevajo. Pojav se, ko se nabiti delci gibljejo v magnetnem polju in nanje deluje sila pravokotna na smer gibanja, izkorišča kot izvor svetlobe. V tem primeru svetlobi, ki nastane, pravimo ciklotronsko oziroma sinhrotronsko sevanje. Ciklotronsko takrat, ko so delci nerelativistični in sinhrotronsko takrat, ko so [1]. Praktično pri vseh aplikacijah, ko pojav izkoriščamo kot izvor svetlobe, uporabljamo elektrone. Zaradi majhne mase jih je lahko pospešiti do relativističnih hitrosti in imamo tako opravka s sinhrotronskim sevanjem. V laser na proste elektrone se začne z gonilnim laserjem. Laser generira natančno določene ultravijolične pulze. Te pulzi so usmerjeni na bakreno katodo. Bakren katoda se na obsevanje odzove s sunkom elektronov, ki so nato vodeni v linearni pospeševalnik. Na poti skozi pospeševalnik gredo gruče elektronov skozi "bunch compressor", v katerih se posamezna gruča elektronov stisne in s tem zmanjša dolžinsko dimenzijo gruče. Takih "bunch compressor" je lahko več na enem samem pospeševalniku, na različnih oddaljenostih, da zagotovimo kratkost pulzov. Na koncu pospeševalnika imajo elektroni energije več GeV. Po koncu pospeševalne stopnje elektroni vstopijo v dvorano za prenos žarka (beam transport hall). Tukaj žarek potuje skozi več diagnostičnih naprav in magnetov, ki zagotavljajo, da so elektronske gruče pravilno oblikovane in na pravi poti. Po tej dvorani vstopijo elektroni v undulator, kjer se proizvaja rentgenska laserska svetloba [2].

Slika 1: Koncept undulatorja [3].

Undulator je dolgo izmenično zaporedje dipolnih magnetov. To zaporedje je po navadi sestavljeno tako, da je perioda štiri pari magnetov, kjer so magnetna polja parov obrnjena za 90 stopinj, kar povzroči, da elektronska gruča zaniha prečno na smer gibanja. To povzroči, da začnejo elektroni sevati rentgenske žarke. Ko elektroni in rentgenski žarki potujejo skupaj, začnejo medsebojno interagirati. To povzroči, da se elektroni zberejo v vzporedne ravnine. Elektroni v posamezni ravnini sevajo v fazi. Sevanje takšnega curka elektronov je koherentno in ojači zunanje elektromagnetno valovanje. Gruče same so široke reda

3

velikosti procent valovne dolžine. Ko je proizvedena zadostna rentgenska svetloba je potrebno ločiti elektrone in svetlobo, preden se rentgenski žarki lahko uporabijo za eksperimente. Uporabijo se močni magneti, ki ukrivijo pot elektronov in jih vodijo v posebno sobo, kjer se elektroni varno absorbirajo. Rentgenski pulz nemoteno pride skozi magnetno polje in nadaljujejo naravnost. Cel proces je ponovljen tudi do 120-krat na sekundo. Zdaj so rentgenski pulzi uporabni za eksperimente.

2.1 LCLS Eden od takih laserjev na proste elektrone je LCLS. LCLS (Linac Coherent Light Source) je del SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). SLAC je več kot 3 km dolg linearni pospeševalnik, ki že skoraj 50 let proizvaja visokoenergijske elektrone za fizikalne preizkuse. LCLS ustvarja pulze rentgenskih žarkov, ki so več kot milijardkrat svetlejši kot najmočnejši obstoječi izvori sinhrotronskega sevanja. Te ultrakratki pulzi so uporabljeni podobno kot bliskavica, ki omogoča slike atomov in molekul v gibanju in s tem razkrivajo osnovne procese kemije, tehnologij in življenja samega. V LCLS-u je šest eksperimentalnih postaj, kjer potekajo raziskave [5]. Te postaje so:

AMO: Atomska, Molekulska in kemijska znanost

SXR: Mehki rentgenski žarki

XPP: Rentgensko gledanje z metodo Pump Probe

XCS: Spektroskopija s koreliranimi rentgenskimi žarki

CXI: Slikanje s koherentnimi rentgenskimi žarki

MEC: Snov v ekstremnih okoliščinah

Energijski razpon fotonov, ki ga je mogoče dobiti na LCLS-u je med 408 eV in 10 keV. Celotna dolžina undulatorja, vključno s kratkimi razmiki med magneti je 132 metrov. Sestavljen je iz 33 posameznih segmentov, ki je vsak dolg 3.4 metre in vsebuje 224 permanentnih magnetov iz neodim-železo-borove zlitine. Te magneti vijugajo 12 GeV elektronski žarek za približno 0,001 milimeter. Magneti so postavljeni tako točno, da je napaka vijuganja manj kot ~0,1 𝑛𝑚 in napaka poti žarka po magnetu manj kot 0,00005°. Tipični pulzi, ki

se uporabljajo za preizkuse imajo valovno dolžino 1.5 Å, kar je 8300 𝑒𝑉, z velikostjo žarka 60 × 60 𝜇𝑚2 in trajanjem od 70 do 300 𝑓𝑠. V enem pulzu je reda velikosti 1012 fotonov, kar nam da energije reda nekaj 𝑚𝐽 na pulz. Če pogledamo, en pulz ima moč tudi nekaj deset GW. V načinu kratkih pulzov dosegajo tudi pulze dolžine pod 20 𝑓𝑠 z energijami ~0,2 𝑚𝐽. Frekvenca ponavljanja pulzov je standardno 30 𝑎𝑙𝑖 60 𝐻𝑧.

Slika 2: Shema postavitve SLAC in LCLS. Zgoraj levo vidimo linearni pospeševalnik. Na sredini vidimo dvorano za prenos žarka in nato področje z undulatorjem. Po undulatorju so prve (Near Experimental Hall) in druge (Far Experimental Hall) sobe za eksperimente [4].

4

3 Iz 3D v 4D

Čeprav časovna dinamika ni nova stvar, v začetku 20. stoletja je bilo opazovanje dinamike dogodkov na časovni skali reda nekaj sekund, navdušenje nad novimi zmožnostmi razumevanja, ki jih je bilo prej nemogoče slediti, ultrahitrih fizikalnih, kemičnih in bioloških procesov je poživljala znanstvenike, da se je poglabljala v karakterizacijo dinamičnih procesov narave. V bistvu, lahko sedaj začnemo razumevati, kako se že dobljena tridimenzionalna (3D) strukturna informacija na atomski skali spreminja s časom. Tako pridemo do dinamike strukture ali 4D karakteristike ( x, y, z in čas) [6]. Elektronska mikroskopija, uklon rentgenske svetlobe in nevtronov, rentgenska absorpcija, jedrska magnetna resonanca in več drugih spektroskopskih tehnik, so omogočile raziskavo snovi na atomski skali. Imeli so velik vpliv na sodobna znanstvena spoznanja z vizualizacijo nekaterih najmanjših gradnikov snovi. Danes 3D strukture majhnih molekul, kristalov, bioloških celic in njihove notranje dele, nano- in mikrometrske naprave lahko prikažemo in analiziramo skoraj po želji. Ko izvemo več o zapletenosti strukturnih sprememb hitro postane jasno, da je samo slika strukture premalo in pogosto neprimerna, da razložimo in preverimo mehanizme, ki vodijo strukturne spremembe. V taki situaciji lahko uporabimo karakterizacijske metode v realnem času (milisekunde do sekund), ki nam dajo vpogled v mnoge dinamične procese, ki vključujejo materiale. Kljub temu pa še vedno, ko gremo proti molekularni in atomski skali, obstajajo mnogi dinamični procesi, ki so veliko hitrejši od milisekund. Te so pogosto povezane z lasersko interakcijo z materialom, saj le laserji z zelo kratkimi pulzi (piko- do atosekundni) lahko vzbudi material v prej neznano stanje. Dejstvo je, da obstajajo edinstvene in zanimive lastnosti materialov in struktur, ki se jih lahko pridobi le, če doživijo izjemno hitre spremembe. Primer takega stanja je "črni silicij". Interakcije med pulznimi laserji in snovjo so raznovrstne: trdne snovi so sposobne opraviti fazni prehod brez segrevanja večjega dela mreže, demagnetizacija in dielektrični razpad v trdnini, hitri lokalni fazni prehodi zlitin s spominom in majhnih struktur. Poleg tega ekstremno visoke intenzitete takih kratkih pulzov povzročijo obilje interakcij laserjev z materiali, kot so: dvojno ioniziranje, medatomski coulumbski razpad, stimulirano sipanje in optično vzbujanje netermičnih elektronov v nanostrukturah. Na subnanometrski skali koncepti o makroskopskem opisu snovi pogosto niso uporabni, lastnosti lahko bistveno odstopajo od makroskopske snovi in začne se kvantno mehanski opis snovi. Poleg tega je visoka koherenca laserske svetlobe idealen instrument za vplivanje na koherenco atomskih in molekulskih sistemov. Začetne aplikacije so bile osredotočene na naravnavanje kemijskih reakcij, da bi izboljšali reakcijski donos, toda število aplikacij v drugih področjih (kvantni računalniki, kvantna priprava stanj, manipulacijo sevanja mikro- in nano naprav, ki vključuje kvantno omejevanje) se hitro povečuje. Očitno je, da za razumevanje dinamike procesov, kot so fizikalne in kemične spremembe, ni dovolj preiskava pred in po procesu. Elektroni, atomi, molekule in večji objekti, kot so celice se premikajo in spreminjajo obliko, položaj, strukturo in možno tudi sestavo skozi kratek čas. Atomski premik nekaj Angstremov se zgodi v nekaj femtosekundah. Do lokalnih procesov, ki vključuje optične fonone, oblikovanje napak in netermično taljenje pride v femtosekundnem do pikosekundnem časovnem obdobju. Nadaljnji dogodki, kot so generacija akustičnih fononov in faznih prehodov se zgodi v daljšem časovnem obdobju ( od nano- do mikrosekund). Skupno vsem dogodkom je, da večji, bolj globalni procesi, ki se pojavljajo ob kasnejših časih, imajo svoje začetke v zelo kratkem času in razdaljah.

5

4 Slikanje z ultrahitrim rentgenskim laserjem

Kristalografija z rentgenskimi žarki je vse od svojih začetkov pa do danes, ena izmed glavnih

metod za določanje strukture kristalov. Kristale tvori mnogo snovi, tako kovine, minerali, kot tudi

organske molekule. Slikanje organskih kristalov ima veliko oviro in sicer škodo, ki jo povzročijo rentgenski

žarki na organskih molekulah. Ta omejitev nam posledično tudi omejuje ločljivost slikanja. Z nedavnim

odkritjem femtosekundnih rentgenskih laserjev, se je pojavila možnost prekiniti to povezavo med

radiacijsko dozo in prostorsko ločljivostjo. S femtosekundnimi rentgenskimi pulzi lahko prehitimo tudi

najhitrejše procese, ki povzročajo škodo, z enim samim pulzom, ki je tako kratek, da se konča preden se

pojavi škoda na vzorcu. Zaradi visoke gostote energije lahko gledamo vzorce, ki nimajo periodične

strukture. Torej posamezne celice, viruse in molekule.

4.1 Slikanje posameznih mikrodelcev

Težava konvencionalnih tehnik gledanja z rentgenskimi žarki je odlaganje energije na vzorec preko preiskovalnega žarka. Občutljivi vzorci so najbolj nagnjeni k strukturnim poškodbam med pregledovanjem in take poškodbe so največji faktor omejitve ločljivosti. Zaradi tega je bilo potrebna zmanjšati jakost žarka in skrajšati čas opazovanja. Posledica tega je zelo omejeno število sipalnih dogodkov, ki prispevajo k uklonskem vzorcu. Iz tega sledi slabo razmerje med signalom in šumom, kar omejuje prostorsko ločljivost in branje uporabnih strukturnih podatkov. Če uporabljamo ultrahitre pulze za gledanje vzorcev lahko prehitimo škodo na vzorcu. Zaradi tega lahko uporabljamo zelo močne pulze, kar poveča število trkov z vzorcem in s tem dobimo boljše razmerje med signalom in šumom. Sevalne poškodbe povzročajo rentgenski žarki z odlaganjem energije neposredno na vzorec.

Fotoni z valovno dolžino 1Å imajo fotoelektrični presek desetkrat večji kot presek elastičnega sipanja, kar pomeni, da je fotoefekt glaven vir škode [9]. Rentgenski žarki iz atoma izbijejo elektrone v najnižjih lupinah (približno 95% fotoefekta povzroči odvzema elektrona na K-ti lupini iz ogljika, kisika, dušika in žvepla), kar napravi ion z nestabilno konfiguracijo. Z relaksacijo elektroni, iz višjih orbital, zapolnijo vrzel. V težjih elementih se relaksacija zgodi z izsevanim rentgenskim žarkom, toda pri lažjih elementih elektron, ki gre v nižjo orbitalo, odda

Slika 3: Nanokristali v raztopini potujejo po plinsko fokusiranem curku premera nekaj 𝜇𝑚 in hitrosti 10 𝑚/𝑠, pravokotno na laserski pulz, ki je fokusiran na curek. V zgornje levem kotu vidimo posnetek šobe, curka in plina za fokusiranje. Dva para hitrih pnCCD detektorjev preberejo široko- in ozkokotno uklonsko sliko. Kristali prihajajo ob naključnih časih in orientacijah in verjetnost zadetka vzorca je sorazmerna s koncentracijo vzorca v raztopini [7].

6

energijo drugemu elektronu, ki je nato izvržen iz atoma, kar se imenuje Auger effect. Augerjeva emisija je poglavitna v ogljiku, kisiku, dušiku in žveplu ( >95%), kar pomeni, da se pri enem dogodku odstranjena dva elektrona in enega atoma. Energiji teh elektronov sta različni (~12 𝑘𝑒𝑉 za fotoelektrone in ~0,25 𝑘𝑒𝑉 za Augerjeve elektrone) in sta izvržena ob različnih časih. Povprečne hitrosti teh fotoelektronov (43 𝑛𝑚/𝑓𝑠) in Augerjevih elektronov (7 𝑛𝑚/𝑓𝑠) omogočajo, da ti elektroni uidejo iz molekule v manj kot femtosekundi. Približno vsak peti elektron pa odloži nekaj energije v molekulo preden uide iz nje. Zaradi velikega števila izbitih elektronov se močno poveča pozitiven potencial molekule, kar povzroči Coulumbsko eksplozijo, ki celotno uniči molekulo.

Slika 5: Računalniška simulacija eksplozija T4 lizocima (bela, H; siva, C; modra, N; rdeči, O; rumena, S), ki jih povzroči sevanje. Intenzivnost rentgenskih žarkov 3 × 1012 (12𝑘𝑒𝑉) fotonov na

100 𝑛𝑚 premeru pike (3,8 × 106 fotonov na Å2) v vseh primerih. a: Protein izpostavljen pulzu s FWHM 2 𝑓𝑠 in razpad skozi čas. Prvi dve strukturi (pred in po pulzu) sta skoraj identični zaradi začetne zamude eksplozije. b: Lizocim izpostavljen enakemu številu fotonov kot v a, toda tukaj je FWHM 10 𝑓𝑠. Vidimo strukturo pred, na sredini in na koncu pulza. c: Vedenja proteina med pulzom s FWHM 50 𝑓𝑠 [9].

Slika 4: Shematski prikaz Augler effect-a [10]

7

Da lahko naredimo sliko posameznega delca ali nanokristala ni zadosti ena sama slika, ampak cel set slik. Ker vsak pulz uniči naš vzorec, moramo slikati vedno nove vzorce, ki pa morajo biti vsi enaki. To naredimo tako, da imamo neprekinjen curek našega vzorca, katerega osvetljujemo z rentgenskimi žarki. Zaradi take postavitve ne poznamo orientacije vzorca za vsak posamezen pulz, kar pomeni, da moramo napraviti velikokrat več meritev, kot pa, če bi imeli vedno enako orientiran vzorec. Prednost tega pa je, če lahko določimo orientacijo naredimo 3D rekonstrukcijo vzorca. To naredimo tako, da primerjamo vrhove na posameznih slikah. Nato se slike, ki imajo manj kot določeno število zaznanih vrhov, zavržejo. Za to se uporabljajo določeni programi kot je DirAX. Program avto-indeksira 3D lokacijo vrhov za vsako sliko. Če programu uspe

najti enotsko celico za vrh, se vsi piksli znotraj kroga z radijem deset in izhodiščem v pikslu, ki izpopolnjuje Bragov pogoj, seštejejo. Tako dobimo lahko iz več milijonov slik "samo" okoli 10.000 slik, ki so uspešno indeksirane. Zaradi razvoja novih algoritmov za iskanje vrhov in indeksiranje se pričakuje znatno povečanje števila slik, ki se indeksirajo in tako zmanjšanje število vzorcev potrebnih ta uporabni podatkovni set.

4.2 Gledanje časovne dinamike

Najprej poglejmo kakšna je dinamika na mikrometrski skali pri dovajanju energije z

nanosekundnim optičnim laserskim pulzom. Ko je dovedena energija in časovni okvir zadosti velik, da se

ustvari relativno stabilna porazdeljenost temperature, lahko vzorec, na primer tanek film, doseže zelo

lokalno hidrodinamično neravnovesje. Kapilarne sile na površju bodo povzročale strižne sile. Strižne

napetosti, 𝛾, v tem primeru odvisne od volumskega deleža, 𝑋, površinskih nečistoč in temperature, 𝑇:

𝜕𝛾 𝑇,𝑋

𝜕𝑟=

𝜕𝛾

𝜕𝑇 𝑋

𝜕𝑇

𝜕𝑟+

𝜕𝛾

𝜕𝑋 𝑇

𝜕𝑋

𝜕𝑟=

𝜕𝛾

𝜕𝑟 𝑋

+ 𝜕𝛾

𝜕𝑟 𝑇

,

Slika 6: Uklonska slika enega pulza na Fotosystem I posnetega z pulzom 70 𝑓𝑠 [7].

8

kjer je 𝑟 radij do obsevanega mesta na vzorcu. Nečistoče bodo spremenile površinsko strukturo tako, da bodo zamenjale atome v kristalni mreži in tako spremenile karakteristiko strižne napetosti. Nastale strižne sile bodo povzročile transport taline ("Marangoni effect"). Termični gradient 𝜕𝑇/𝜕𝑟 in koncentracijski gradient 𝜕𝑋/𝜕𝑟 povzročita temperaturni in/ali kemično-kapilarni pogon za tok snovi. Termično gnan tok je podan z (𝜕𝛾/𝜕𝑟)𝑋 in kemično gnan tok z (𝜕𝛾/𝜕𝑟)𝑇 . Tako se pojavijo trije možni scenariji: (a) čiste kovine, (b) nečiste kovine in (c) pregreti tanki filmi [6]. V primeru (a) (Slika 7) čiste kovine ni nobene nečistoče (X=0) in tako povzročajo strižne sile le termo-kapilarne sile. Zaradi Gaussove oblike energije laserskega pulza se pojavi negativni temperaturni gradient 𝜕𝑇/𝜕𝑟 na tanki plasti. Ker pa je termični koeficient (𝜕𝛾/𝜕𝑇)𝑋=0 za čiste kovine negativen, se pojavi pozitivna strižna sila 𝜕𝛾/𝜕𝑟, ki potiska staljeno snov proti hladnejšemu, trdnemu robu obsevanega področja. Pod takimi pogoji se lahko pojavi luknja na sredi taljenja. V primeru (b), nečistih kovin 𝑋 ≠ 0. Pred in v začetnih stopnjah obsevanja ni pomembna gradienta koncentracij nečistoč 𝜕𝑋/𝜕𝑟 = 0. Nečistoče so homogeno razporejene. Začetni tok snovi bo odvisen, tako kot pri primeru (a), samo od termo-kapilarnih sil in se bo premikal radialno navzven. Ko se snov še naprej greje se stali tanek film in ima nižjo viskoznost kot spodnja stran. Zaradi tega začne teči hitreje, kar povzroči novo porazdelitev nečistoč (nečistoče se premikajo stran od središča osvetljene površine) in tako 𝜕𝑋/𝜕𝑟 > 0. Naraščajoče kemično-kapilarne sile začnejo nasprotovati termo-kapilarnim silam, kar povzroči da se začetni tok ustavi ali celo obrne. Glavni parameter je stopnje površinsko aktivnih nečistoč. Površinska napetost in temperaturna odvisnost 𝜕𝛾/𝜕𝑇 sta možno odvisna celotne koncentracije nečistoč na površini. Če je 𝑋 >> 0, 𝛾(𝑇) dobi lokalni maksimum pri določeni temperaturi 𝑇0 in termični koeficient je (𝜕𝛾/𝜕𝑇)𝑋 pozitiven nad in negativen pod temperaturo 𝑇0. Glavni parameter postane količina naložene energije laserja. Če je temperatura celotne obsevane površine pod 𝑇0 in ker 𝜕𝑇/𝜕𝑟 < 0, bodo termo- in kemično-kapilarne sile premikale talino proti sredini. Če pa je 𝑇 > 𝑇0 znotraj določenega radija 𝑟 < 𝑟0, potem ti dve sili potiskata talino v nasprotnih smereh. Za 0 < 𝑟 < 𝑟0 je termični koeficient negativen in je v večini primerov tok stran od središča (termični gradient je običajno strmejši kot koncentracijski gradient (𝜕𝑇/𝜕𝑟 > 𝜕𝑋/𝜕𝑟)). Zunaj tega območja (𝑟 > 𝑟0) je temperatura pod 𝑇0 in (𝜕𝛾/𝜕𝑇)𝑋 je pozitiven, zaradi česar je tok usmerjen proti centu. Pri takem dogodku se lahko pojavi obroč tekočega materiala, ki je začasno ustavljen, preden razpade. Odvisno od močnejšega gibanja (proti ali stran od središča) lahko tak obroč trči na rob nastale luknje ali pa se zgrudi v sredino. Ta gibanja so lahko zelo kompleksna.

Slika 7: Shema dinamike dovajanja energije z nanosekundnim laserjem, (a) čiste kovine, (b) nečiste kovine in (c) pregreti tanki filmi [6].

9

V primeru (c), kjer je pregret tanek film, zelo visoke temperature povzročijo, da na središču osvetljene površine nečistoče zelo hitro izparijo. To hitro povzroči 𝜕𝑋/𝜕𝑟 > 0 in z dejstvom, da je prizadeta površina majhna, ker pomeni, da temperaturni gradient ni strm, sledi 𝜕𝑇/𝜕𝑟 < 𝜕𝑋/𝜕𝑟. V tem primeru prevladajo kemično-kapilarne sile, ki potisnejo večino taline proti središču in jo ločijo od oboda. Z laserskimi pulzi z veliko energije, lahko dosežemo režime v snovi z ekstremnimi tlaki in temperaturami, kakršni še niso bili doseženi in z zelo visoko stopnjo ogrevanja in ohlajanja (tudi do 1011𝐾/𝑠). Interakcije so večinoma nelinearne. Mehanizmi, ki ustvarjajo notranji tlak se razlikujejo za različna obdobja opazovanja. Za elektrone so femtosekundna, za mrežne ione pa nanosekundna. Po kaljenju lahko sistem pride v doslej neznane kristalizacije, nukleacije in rasti zrn. Kot rezultat lahko mikrostrukture pokažejo nenavadne materialne lastnosti, kot pri "črnem siliciju". Nekaj primerov interakcije med laserjem in snovjo je prikazano na Sliki 8 in Sliki 9.

4.3 Pump-Probe metoda

Za gledanje dinamiko molekul s FEL pa uporabimo metodo "pump-probe", s katero dosegajo časovno ločljivost 100 ps [11]. Metoda je imenovana pump-probe, saj vzorec najprej obsevan s "pump" pulzom, ki ustvari neko spremembo na vzorcu. Po določeni zakasnitvi je vzorec obsevan s "probe" pulzom in izmerimo uklonsko sliko. Opisal bom eksperiment fotolize molekule mioglobina; slikanega pred

Slika 8: (a) 30 nm debela Ni folija med fazno eksplozijo. Na neobdelanem vzorcu vidimo vijuge (−∞), taljenje (0 ns), nenadna generacija plinskih mehurčkov (5-13 ns) in valove raztezanja in stiskanja. Končno stanje ponazarja slika +∞. Energija laserskega pulza: 13.1 𝐽/𝑐𝑚2, trajanje pulza 6 ns. (b)(zgoraj) Uklonske slike faznega prehoda 59 nm debele AL folije (prehod iz trdega v tekoče stanje). Pojavi se uklonski obroč (5-15 ns), ki je značilen za nov red kratkega dosega. Na spodnjih slikah je uklonski vzorec odštet od originala. Energija laserskega pulza: 1.25𝐽/𝑐𝑚2, trajanje optičnega pulza 6 ns [6].

Slika 9: (c) Hidrodinamski efekt. Nastanek in izparevanje taline 45 nm Ag folije. Površinsko izparevanje in posledično razgrajanje celičnih sten (po 100 ns) spremljata razpad mreže. (d) Visoka viskoznost lasersko obdelane 33 nm Ge folije razloži nastanek dolgih in tankih vlaken. Vlakna se pretrgajo, po 75-100 ns zaradi Rayleigh-ove nestabilnosti, v talino kapljic (150-175 ns). Energija

laserskega pulza: 4,9 𝐽/𝑐𝑚2, trajanje optičnega pulza 6 ns [6].

10

in 100 ps po fotolizi. Z izbrano metodo kristalografije makromolekul naredimo sliko osnovnega stanja mioglobina. Nato pa slikanje ponovimo z razliko, da sedaj pred rentgenskim pulzom posvetimo na kristal z optičnim pulzom, ki vzbudi molekule in šele nato posvetimo z rentgenskim pulzom. Tako rentgenski pulz "vidi" vzbujeno molekulo, kar se odrazi na uklonski sliki. Če zakasnitev med optičnim pulzom in rentgenskim pulzom spreminjamo in delamo trenutne posnetke molekule, lahko dobimo nekakšen film dinamike molekule. Optični pulz lahko dobimo iz iste gruče elektronov kot rentgenski pulz. Ko elektronski žarek izstopi iz undulatorja za rentgenski pulz ima še zmeraj veliko energijo. Ta žarek lahko preusmerimo na undulator, ki je namenjen generiranju pulza vidne svetlobe in se s tem znebimo neodvisnega vira pulza. S tako postavitvijo zmanjšamo časovni "jitter" do časovne ločljivosti "pump-probe" eksperimenta. Z metodo "split-delay" lahko gledamo še krajše časovne dinamike, kot so pikosekundne in nekaj 100 femtosekundne dinamike [12, 14]. Osnovna ideja je, da razdelimo rentgenski pulz na dva enako intenzivna pulza, ki sta časovno ločena, ampak potujeta po isti poti. To naredimo s sistemom delivcev žarka (Beam splitter) in zrcal. Pulz razdelimo z beam-splitter in jih peljemo po različno dolgih poteh in ju na koncu združimo z "beam mixer". Pot enega od pulzov lahko prilagajamo in s tem časovni zamik med pulzi. Uklon teh dveh pulzov je nato zbran na istem detektorju. Če vzorec miruje (ni nobene dinamike v času trajanja časovne zakasnitve med pulzi), je kontrast uklonske slike enak sliki s samo enim pulzom. Če pa se vzorec spremeni v času med pulzi, se to pokaže kot zmanjšan kontrast na uklonski sliki. Z izvedbo analize kontrasta večjega števila uklonskih slik kot funkcijo zakasnitve, lahko gledamo dinamiko sistema na časovni skali dolžine pulza. Časovna resolucija je omejena na ~100 𝑓𝑠 zaradi več fotonske absorpcije, razlike v grupnih hitrostih in ker se pri zelo kratkih intenzivnih pulzih pojavi Kerrov pojav in samo-fokusiranje.

5 Eksperiment: Femtosekundna rentgenska nanokristalografija proteina

Photosystem I

Slika 11: Eksperimentalno določena elektronska gostota mioglobina pred in 100 ps po fotolizi [11].

Slika 10: Prikaz split-delay metode. Pulz je razdeljen na dva pulza, ki se premikata po različnih poteh *13+.

11

Velika ovira pri slikanju makromolekul je, da potrebujemo zadosti velike in pravilne kristalne strukture molekul. Primer so proteini v membranah celic, od katerih je le okoli 300 unikatnih struktur bilo določenih, kljub njihovi pomembnosti za vsa živa bitja. Predstavil bom metodo za določanje strukture nanokristalov z uporabo femtosekundnih pulzov rentgenskih žarkov [7]. Z razliko od elektronske ali standardne kristalografije, ki potrebuje nizke temperature, je pri tej metodi vzorec celotno hidriran, saj imamo nanokristale (~200 𝑛𝑚 𝑑𝑜 2 𝜇𝑚) raztopljene v vodi. Postavitev eksperimenta je vidna na Sliki 4. Tanek curek raztopine nanokristalov je usmerjen v fokus rentgenskega žarka v vakuumu. Ko rentgenski pulz zadane kristal se pojavi uklonski vzorec, ki je zabeležen na dveh pnCCD (p-n charge-coupled device) detektorjih z nizkim šumom in hitrostjo branja

30 Hz. Energija fotonov v rentgenskih pulzih je bila 1,8 keV (6,9 Å), z več kot 1012 fotonov na pulz in dolžinami 10, 70 in 200 fs. Absorbirana doza v vzorcu je 700 MGy (preračunano s programom RADDOSE) in največjo gostoto energije 1016𝑊/𝑐𝑚2 pri 70 fs pulzih. Tipična doza pri klasičnih rentgenskih eksperimentih, ki je 30 MGy. Za vsako dolžino pulza je bilo na začetku zbrano več kot 60.000 meritev za določitev ionizacijske škode posameznega pulza. Za pulze 10 in 70 fs je bilo določeno, da prehitita

ionizacijsko škodo pri opazovani ločljivosti 8,5 Å. Za 200 fs pulz je bila videna znižana moč sipanja za

ločljivost pod 25 Å. Prvi detektor zabeleži kote od 4,6° do 40,5°, kar ustreza ločljivosti 8,5 Å. Drugi

detektor pa beleži kote od 0,1° do 4,0° kar ustreza območju 100 do 4000 Å. Z analizo uklonskih slik zadnjega detektorja je razvidno, da so opazovani kristali manjši od deset enot na stranico (Slika 12). Kristali se ločijo po orientaciji in po velikosti. Na Sliki 13 vidimo uklonske vrhove za največje kote pri sprednjem detektorju. Očitna je tudi majhna dimenzija kristalov, zaradi visoke izmerjene intenzitete med Bragovimi vrhovi (Slika 14 desno).

Slika 12: Uklonska sloka na zadnjem pnCCD, razkrije strukturo nanokristala. Intenzitete so v obarvane in v logaritemskem merilu [7].

Slika 13: Uklonska slika po 70 fs pulzu, zaznana na sprednjem pnCCd detektorju, z odštetim ozadjem. Nekateri vrhovi so označeni z Millerjevimi indeksi [7].

Slika 14: Uklonska slika po 70 fs pulzu, zaznana na sprednjem pnCCd detektorju, z odštetim ozadjem. Dobro so vidne povezave med vrhovi zaradi majhne dimenzije kristala [8].

12

Zbrano je bilo 1.850.000 slik, od tega je bilo 112.725 določenih kot zadetkov (več kot 10 zaznanih vrhov) in 15.445 jih je bilo uspešno indeksiranih. S temi podatki lahko rekonstruiramo sliko molekule Photosystem I (Slika 13). Naslednji korak za izboljšanje ločljivosti je uporaba rentgena s krajšo valovno dolžino. Nedavni eksperiment na LCLS namiguje na zasičenost fotoabsorpcije z

rentgenskimi žarki v ozkem pulzu. Posledica tega je upad fotoionizirajoče škode na 20 fs skali brez upada sipalnega preseka, ki poda uklonsko sliko. Cilj

načrtovanih žarkovnih linij na LCLS je doseči 105 kratno povečanje gostote energije v pulzu z boljšim fokusiranjem, kar omogoča zbiranja podatkov z manj celotne energije oddane na vzorec, v dolžinah pulza 10 fs ali krajše. To nam omogoča nadaljnje zmanjšanje sevalnih poškodb in omogoči merjenje še manjših nanokristalov, tudi do kristala z eno enoto (ene molekule). Ko se približujemo tej limiti, je urejenost kristala vedno manj pomembna. Ker se bo vsak kristal lahko smatral kot en predmet, se bo neurejenost, ki običajno vodi v zmanjšanje ločljivosti, kazala kot spremenljivost med različnimi slikami, kar nam bo na novo nudilo informacijo, ne samo o povprečni strukturi, ampak tudi o obsegu dinamično možnih struktur.

6 Razvoj in uporaba tehnik

Primer uporabe femtosekundih laserskih pulzov je "črni silicij" [15,16]. To je površinska sprememba silicija, ki ima zelo majhno odbojnost po tem, ko je osvetljen z nizom laserskih pulzov v prisotnosti halogenskega plina. Taka površina lasersko obdelanega silicija napravi samoorganizirane strukture mikrometrskih stožcev in sočasno nove materialne lastnosti, kot so povečana absorpcija, ki sega v infrardeče spektralno območje, pod energijsko režo. Ta nenavadna optična lastnost, združena s polprevodnostjo silicija naredi material zanimiv za uporabe pri senzorjih. Možne aplikacije:

Povečana občutljivost optičnih senzorjev

Kamere za gledanje infrardeče svetlobe

Fotodetektorji z visoko učinkovitostjo zaradi povečane absorpcije

Slika 15: Elektronska gostota Photosystem I. Z vijolično mrežo je predstavljena elektronska gostota pri 1,0𝜎. Izboljšan model je predstavljen rumeno [7].

Slika 16: (Levo) Slika stožcev na lasersko obdelanem siliciju. (Desno) Absorbcijski koeficient odvisen od določene valovne dolžine [16].

13

Teraherčne aplikacije

Sončne celice Ultrahitri laserji se uporabljajo tudi v medicini, sej se tkivo roženice da odstraniti brez opazljive toplotne škode za sosednje tkivo. Lahko se uporabi tudi v funkcionalni nevrokirurgiji, zaradi zelo lokaliziranega odstranjevanja snovi z ultrahitrimi laserskimi pulzi. Mogoče so tudi nanooperacije, kjer z laserjem izbijemo celične strukture. Uporablja se

lahko tudi v zobozdravstvu, saj so pulzi dovolj kratki, da ne pride do prenosa toplote v okolico, kot pri klasičnem laserju.

7 Zaključek

Razvoj ultrahitrih rentgenskih laserjev za eksperimente je dosegel točko, kjer lahko dosežemo in nadzorujemo femtosekundne pulze in z njimi sledimo atomskemu gibanju ultrahitrih dogodkov. S tako kratkimi pulzi, lahko prehitimo škodo, ki se pojavi na vzorcu zaradi obsevanja in vidimo sliko nepoškodovanega vzorca, preden eksplodira. Tehniko rentgenske nanokristalografije nam omogoča nov pristop pri gledanju makromolekul, katerih ne moremo gojiti kristalov zadostnih velikosti ali pa so občutljive na ionizirajoče sevanje. Zaradi velike moči rentgenskih pulzov bo mogoče opazovati prehodno obnašanje snovi v ekstremnih razmerah. En tak predlagan eksperiment je raziskava tako imenovane "warm dense matter" (WDM) [18]. WDM obstaja v jedru planetov. WMD je zelo vroča in gosta. Gostota je velikosti gostote trdnih snovi, temperatura pa velikost plazemskih temperatur. Za to stanje snovi je le nekaj teorij, ki so sposobne opisati to stanje. Z LCLS pa lahko ustvarimo in opazujemo WMD. Možne so tudi raziskave visokih tlakov in fizika visokih gostot energij. Z ultrahitro lasersko spektroskopijo gledamo gibanje in odziv molekul na optično vzbujanja. Z rentgenskimi žarki bomo zmožni "videti" položaje atomov med raznimi fazami transformacije, kar z klasičnimi laserji ni mogoče. Z mehkimi rentgenskimi žarki se da raziskovati interakcijo svetlobe z visoko nabitimi ioni (highly charged ions - HCI) [18]. Možna bo določitev fotoionizacijskega in fotoabsorpcijskega preseka, kar je nadvse pomembno za astrofizike. Z natančnimi meritvami energijskih nivojev elektronov v HCI bodo testirane teorije, kot so kvantna elektrodinamika (QED). Zaradi razmeroma nove tehnologije je še zmeraj velika možnost izboljšav tehnik, metod in novih eksperimentov.

Slika 17: (Levo) Klasičen laser povzroči segrevanje in pokanje zaradi termičnih sil, medtem, ko (desno) femtosekundni laser naredi lepo luknjo brez škode na okolico. [17]

14

8 Literatura

[1] http://mafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2010_2011/FEL.pdf (29.5.2011)

[2] http://mafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2010_2011/xfelseminarB.pdf (29.5.2011)

[3] http://www-xfel.spring8.or.jp/cband/e/FEL_PageFile/UndulatorConceptFull.gif

[4] http://lcls.slac.stanford.edu/lcls_gallery/album1/hires/lcls_ren_aerial_03.jpg

[5] https://slacportal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/instruments/Pages/default.aspx (29.5.2011)

[6] MRS Bulletin Volume 36, 121-131 (February 2011); www.mrs.org/bulletin

[7] Henry N. Chapman, Petra Fromme, Anton Barty, et al. Nature 470, 73–77 (3. Februar 2011)

[8] http://www.nature.com/nature/journal/v470/n7332/extref/nature09750-s1.pdf

[9] Richard Neutze , Remco Wouts , David van der Spoel, et al., Nature 406, 752-757 (17. Avgust 2000)

[10] http://de.wikipedia.org/wiki/Auger-Elektronen-Spektroskopie#Auger-Effekt (9.5.2011)

[11] http://www.newlightsource.org/events/presentations/NLS%20life%20science%20van%20Thor.pdf

(9.5.2011)

[12] https://slacportal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/instruments/xcs/Documents/XCStechspecs.pdf

(9.5.2011)

[13]http://hasylab.desy.de/news__events/research_highlights/a_picosecond_hard_x_ray_delay_line/in

dex_eng.html (9.5.2011)

[14] https://slacportal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/instruments/xcs/Pages/default.aspx (9.5.2011)

[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Black_silicon (9.5.2011)

[16] http://www.treehugger.com/files/2008/10/black-silicon-sionyx-solar-power-technology-

breakthrough.php (9.5.2011)

[17] https://www.llnl.gov/str/Stuart.html (9.5.2011)

[18] http://ssrl.slac.stanford.edu/stohr/xfels.pdf (29.5.2011)