Er heeft een doorbraak plaatsgevonden op het gebied van röntgenlasers. Waren deze lasers tot nu toe vele malen zwakker dan de beste optische lasers, nu kunnen ze gebouwd worden in hetzelfde energiebereik. De nieuwe, krachtige röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) van het Amerikaanse SLAC-laboratorium is een miljard keer sterker dan zijn voorganger op de energielijst. Dat maakt de weg vrij voor nieuwe toepassingen – en in plaats van in de wilde weg op dingen te gaan schijnen en te kijken wat er gebeurt, bedachten de wetenschappers die beschikking over de laser hebben meteen een heel spannend eerste experiment.
De LCLS is een gigantische röntgenlaser in een drie kilometer lange tunnel. Hierin worden pulsen gemaakt met een ongekend hoge intensiteit. Afbeelding: © SLAC
Röntgenstraling is altijd al bijzonder geschikt om materialen op atomaire schaal te bekijken en te bewerken. Dat komt door de golflengte van het röntgenlicht: LCLS gaat tot 1,5 Ångstrom, of 0,15 nanometer. Eén lichtgolf is daarom ongeveer even groot als een atoom. Het bijzondere van LCLS is, naast zijn enorm hoge energie, de manier waarop hij laserlicht uitzendt. Dat gebeurt in superkorte pulsen die elkaar met een hoge frequentie opvolgen. De frequentie is hoger dan de typische vibraties binnen een atoom, zodat LCLS gebruikt kan worden om te bekijken op welke manier de bewegingen binnenin een atoom plaatsvinden.
Röntgenfotonen met een energie onder de 870 eV kunnen elektronen uit de buitenste schil van een neonatoom verwijderen. Als de energie boven de 993 eV ligt kunnen ook de binnenste elektronen bereikt worden. Door de hoge intensiteit van de LCLS-laser kunnen de binnenste elektronen uit het atoom geknikkerd worden zonder dat de elektronen uit de buitenste schil meteen de leeggekomen plaatsen innemen. Dat levert een unieke toestand van het atoom op. Afbeelding: © Nature, adapted from Encyclopaedia Britannica
Als een bliksemsnelle stroboscoop kan LCLS pulsen uitzenden naar een atoom om er momentopnamen van te nemen. Maar als de energie van de röntgenfotonen groot genoeg is, kunnen er nog veel spannender dingen gebeuren. De hoge energie van fotonen, bijna 1000 elektronvolts (eV), is genoeg om een elektron dat aan de kern van een atoom vastgebonden zit eruit te stoten. Tot nu toe kon dat ook wel, maar dan alleen met elektronen die ver van de atoomkern afzitten. De nieuwe LCLS-laser kan alle elektronen bereiken, en zo een atoomkern ontdoen van zijn dichtstbijzijnde elektronen. Daarmee betreden we een deel van de natuurkunde dat tot nu toe alleen in theorie bereikbaar was.
LCLS zal als vuurproef dienen voor veel theorieën over de interactie tussen licht en materie. Hij brengt het binnenste van atomen in zicht, zodat we meer te weten kunnen komen over hoe die zich gedragen. Daarnaast is er nog het hoofddoel waarvoor de laser gebouwd is: het bestuderen van biomoleculen. De superintense röntgenlaser is er klaar voor – op naar spannende nieuwe wetenschap!
Zie verder:
Attosecondelaser biedt kijkje in molecuul
Wat doe je met een laser die pulsen geeft van een miljardste van een miljardste seconde? De beweging van razendsnelle elektronen in een molecuul volgen natuurlijk!
Leve de laser!
Op 16 mei 1960 maakte Theodore Maiman in zijn lab de eerste officieel bevestigde laserpuls. Wat toen nog een ‘oplossing op zoek naar een probleem’ was, vormt nu de ruggengraat van de experimentele natuurkunde. De laser viert dit jaar zijn vijftigste verjaardag.
Materie in een nieuw licht
Met materie zijn we goed vertrouwd. Materie heeft gewicht, we kunnen het oppakken, we bestaan uit materie. Met licht is het anders. Licht is niet duurzaam. Het weegt niets, het heeft iets spookachtigs. Het beweegt met onvoorstelbare snelheid. Licht is de meest vluchtige stof die we kennen.
