Observation av atomvibrationer öppnar nya världar

Nya rön visar nu att atomernas vibrationer kan observeras i mjukröntgenspridning – något som lyfter metoden till en ny nivå och öppnar för tillämpning på områden också utanför fysiken.  Detta demonstreras i en artikel som publicerades i Physical Review Letters denna vecka och är ett resultat av den senaste utvecklingen av nya ljuskällor och mätinstrument.

Den nya studien ger nya insikter om tillstånd och dynamik i en syremolekyl. Resultaten sätter avancerad teori på prov och har relevans för strålningsbalansen i atmosfären. Men den riktigt stora nyheten är att mjukröntgenspridningsexperimentens kvalitet har nått den nivå där man kommer åt det väsentliga.

- Tidigare har det ärligt talat varit som att försöka brodera med boxhandskar. Nu öppnas mängder av nya möjligheter till studier av komplexa material, till exempel sådana som är nanostrukturerade eller nästan helt strukturlösa, som amorfa material och vätskor, säger Jan-Erik Rubensson, professor i fysik vid Uppsala universitet.

Mjukröntgenspridning är en metod som introducerades av forskare vid Uppsala universitet i slutet av 1980-talet. Med den kan man studera hur elektroner och atomkärnor rör sig: det som i grunden bestämmer materians egenskaper. Man kan tänka sig ett material som atomer fästa i varandra med fjädrar. Med metoden kan vi välja en av atomerna, slå till den helt lätt och se i detalj vad som händer när den svänger fram och tillbaka. På det sättet får vi veta allt om fjädrarna; hur de är riktade och hur starka de är: vi får veta allt om hur just den atomen har det. Det är ett helt unikt sätt att komma åt den mikroskopiska grunden för materials alla egenskaper.

Metodens problem har varit att det krävs intensivt röntgenljus för att den ska fungera, och hittills har forskarna fått nöja sig med en nivå långt under den optimala. Verksamheten har ändå lett till många intressanta och viktiga resultat och internationellt växer mjukröntgenspridningens betydelse exponentiellt. Men i brist på adekvata ljuskällor har resultaten ofta blivit tvetydiga, och lämnat mycket utrymme för spekulationer och gissningar.

I det nya arbetet visar nu en internationell forskningsgrupp under Uppsalaforskarnas ledning att metoden nu uppfyller vad den har lovat under många år. Franz Hennies och Jan-Erik Rubenssons team har använt dagens mest avancerade instrument vid Swiss Light Source, för att demonstrera principen på vanlig luft. Atomerna i syremolekylen knäpps till och börjar svänga: spektra visar precis hur.

Resultaten ger också Uppsalagruppen ett lyft inför pågående projekt; de testar för närvarande två nya instrument och bygger ett nytt strålrör på MAX-lab för att kunna göra den här typen av experiment med ännu bättre precision.

-    Studien visar också att det strålrör vi planerar vid MAX-IV kommer att utgöra nästa stora språng för mjukröntgenspridning, säger Franz Hennies.

Länk till artikeln i Physical Review Letters.

För mer information, kontakta Jan-Erik Rubensson, tel: 018-471 35 62, 070-425 04 80 eller jan-erik.rubensson@fysik.uu.se, eller Franz Hennies, franz.hennies@fysik.uu.se.