اشعه X قدیمی و چشم اندازی نو: لیزر اشعه X با فوکوس نانومتری
محققین توانستند پرتو لیزر الکترون آزاد اشعه X را تا حد ۶ نانومتر متمرکز کنند. آنها با استفاده از پالس های بسیار کوتاه و شدت زیاد لیزر، می توانند ماده را با وضوح بسیار بالا و سرعت بی سابقه ای بررسی کنند و از سریعترین فرآیندهای شیمیایی و یا جزئیات یک ویروس در مقیاس اتمی، بدون آسیب رساندن به آنها، تصویربرداری و فیلمبرداری کردند.
شکل ۱- طرح شماتیکی از روشی جدید بر اساس پراکندگی همدوس نقطه ای
در مطالعه ای که اخیراً در مجله Synchrotron Radiation منتشر شده است، محققین دانشگاه اوزاکا با همکاری RIKEN و مؤسسه [۱]JASRI، قطر پرتو لیزر اشعه ایکس الکترون آزاد را به ۶ نانومتر کاهش داده اند. این کار به طور قابل توجهی باعث بهبود کارایی این لیزرها در تصویربرداری از ساختارهای نزدیک به اندازه اتم شده است.
محققین برای دیدن اشیاء بسیار کوچک و مشاهده فرآیندهای شیمیایی فوق سریع، معمولاً از امکانات سنکروترون اشعه ایکس استفاده می کنند. حال لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس جایگزین مناسبی است که می تواند جزئیات را در مقیاس اتمی، بدون آسیب رساندن به ذره، تصویر برداری کند. برای انجام این کار، نیاز به یک لیزر فوق العاده درخشان اشعه ایکس با پالس بسیار کوتاه و سریع است که در مقیاس نانومتری فوکوس شده باشد.
محقق اصلی این کار Takato Inoue می گوید: “با استفاده از فوکوس آینه های چند لایه، ما توانستیم عرض پرتو لیزر خود را تا قطر ۶ نانومتر کاهش دهیم. البته این دقیقاً قطر یک اتم معمولی نیست، اما پیشرفت ما بسیار چشمگیر بوده است.”
تا پیش از این، فوکوس لیزرهای الکترون آزاد اشعه ایکس با چنین قطر کوچکی بسیار دشوار بوده است. این امر به دلیل چالش در ساخت آینه های مورد نیاز و اندازه فوکوس لیزرها است. این محققین با تجزیه و تحلیل شکل الگوهای تداخلی لیزر، که به عنوان پروفایل اسپکلها[۲] شناخته می شوند، مسئله فوکوس را مورد بررسی قرار داده اند.
این پروفایل های اسپکل، با پراکندگی اشعه ایکس همدوس از نانوذرات فلزی که به طور تصادفی توزیع شده اند، ایجاد شده است که حاصل آنها اندازه گیری های عملی پروفایل پرتو لیزر بود. به کارگیری این روش با محاسبات نظری مطابقت خوبی داشت.
شکل ۲- ارتباط بین شکل اسپکلها و شکل پرتوهای منحرف شده از آینه های غیر همتراز
اکنون که قطر باریکه لیزر می تواند تا این اندازه دقیق، اندازه گیری شود، پیشرفت های بیشتر نیز امکان پذیر شده است. به عنوان مثال، با استفاده از اتمها برای تجزیه و تحلیل پراکندگی، می توان فوکوس لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس را تا ۱ نانومتر نیز بهبود بخشید.
محققین پیش بینی می کنند که در آینده لیزرهای با شدت بسیار بالا، بیش از یک میلیون بار درخشانتر از خورشید، برای تصویربرداری از فرآیندهای مولکولی فوق سریع (با جزئیاتی در مقیاس اتمی) که فراتر از قابلیت پیشرفته ترین سنکروترونها هستند، به کار خواهند رفت. با چنین فناوری، مولکول های پروتئین و سایر ذرات بیولوژیکی مهم دیگر، بدون آسیب رساندن به آنها تحت استراتژی “پراش قبل از تخریب” با استفاده از یک پالس لیزر قابل تصویربرداری خواهند بود.
Source: https://phys.org/news/2020-07-x-rays-vision-nano-focused-x-ray-laser.html
[۱] Japan Synchrotron Radiation Research Institute
[۲] Speckle Profiles