Korta röntgenblixtar på fler laboratorier kan ge materialforskning en skjuts

Genom ett svensk-tyskt samarbete, där en ny metod och ett nytt instrument utveckats, har ett viktigt steg tagits som öppnar för helt nya analyser vid de 50 stora synkrotronljuslaboratorier som finns i världen. Detta kan ge en skjuts åt utvecklingen inom den idag så viktiga materialforskningen. Studien har nyligen publicerats i Nature Communications.

- Vi lever i en tidsålder där nya avancerade material spelar en allt viktigare roll för vardagsliv och produktion. Därför är detta genombrott så viktigt. Det öppnar för möjligheten att genomföra en rad avancerade experiment på många fler laboratorier i världen och till lägre kostnad än idag, säger professor Svante Svensson, som tillsammans med kollegan professor Nils Mårtensson vid Ångströmlaboratoriet ansvariga för studien och samarbetet Uppsala-Berlin Joint Laboratory.

För att kunna framställa material med skräddarsydda egenskaper är det nödvändigt att kunna karaktärisera material och att förstå hur elektroner fördelar sig och rör sig i materialen. Under de senaste årtiondena har röntgenbaserade metoder blivit allt viktigare verktyg för detta, och det pågår ett intensivt arbete att kunna tillämpa sådana metoder på ett sådant sätt att det är möjligt att studera mycket snabba tidsförlopp; pikosekunder (tusendels miljarddels sekund) eller femtosekunder (miljondels miljarddels sekund). Mätningar med mycket korta pulser är av stor betydelse för att förstå kemiska reaktioner och atomära tidsförlopp, till exempel funktionen i en solcell.

Utvecklingen av röntgenkällor har gått mycket snabbt under de senaste åren. Vid dagens cirka 50 avancerade synkrotronljuslaboratorier produceras röntgenstrålar som är tusen miljarder gånger intensivare än vad som gällde för endast 40 år sedan. Dessa, varav MAX-laboratoriet i Lund är ett av de främsta, är optimerade för att ge största möjliga totalintensitet och inte primärt för att möjliggöra tidsupplösta mätningar. Det har även skett stora framsteg för att utnyttja korta tider. Sedan fem år finns ett antal stora och mycket dyra frielektronlasrar i drift, som arbetar med mycket intensiva pulser.

Men vid BESSY-laboratoriet i Berlin pågår en utveckling för att utnyttja vanliga synkrotronljusanläggningar för studier av material med mycket korta pulser. Och vid Uppsala universitet finns sedan lång tid specialiteten fotoelektronspektroskopi, pionjärarbetet gjordes av professor Kai Siegbahn och ledde till Nobelpris 1981. Genom samarbete har man nu lyckats hitta ett sätt att kunna mäta det man vill på ett smart sätt.

I den aktuella studien redovisar de lyckade fotolektronspektra vid anläggningen, gjorda med röntgenpulser som är tre pikosekunder långa. Röntgenblixtarna skapades genom att man modifierade en enskild elektronpuls i synkrotronljusanläggningen.

- När denna störda puls cirkulerar i den 300 meter långa ringformade acceleratorn ger den upphov till miljoner röntgenblixtar per sekund. Dessa kan vi forskare använda för tidsupplösta mätningar i en viss mätstation, samtidigt som alla andra forskare vid anläggningen kan utnyttja den högintensiva kontinuerliga strålningen, förklarar Svante Svensson.

Det nya instrumentet, som är 1000 gånger mer effektiva än tidigare konstruktioner, togs fram i samverkan med VG Scienta AB.

Projektet har stötts av bland andra VINNOVA och Europeiska Forskningsrådet (ERC).

Referens: Single bunch x-ray pulses on demand from a multi bunch synchrotron radiation source. K. Holldack, R. Ovsyannikov, P. Kuske, R. Müller, A. Schälicke, M. Scheer, M. Gorgoi, D. Kühn, T. Leitner, S. Svensson, N. Mårtensson and A. Föhlisch. Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms5010 (2014)

För mer information, kontakta Svante Svensson, tel: 070-425 02 56, svante.svensson@physics.uu.se eller Nils Mårtensson, tel: 070-582 63 89, nils.martensson@physics.uu.se