Gerhard Samulat, Avropa XFEL

Gaby Clark tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriBir ızgara ilə təhlil edildikdə, gücləndirilmiş Raman siqnalları super rezolyusiyaya malik korrelyasiya metodlarından istifadə etməklə ənənəvi instrumental hədləri aşan son dərəcə yüksək ayırdetmə spektrləri təmin edir. Kredit: Stacy Huang, Argonne Milli Laboratoriyası

Yeni üsul kimyəvi reaksiyalar və atom səviyyəsində görünməmiş təfərrüatlar ilə maddi xassələri başa düşmək üçün səs-küyü qiymətli məlumatlara çevirir. Bu araşdırmanın nəticələri indi Nature jurnalında dərc olunub .

Atom miqyaslı görüntüləmə üçün bir sıçrayışla, tədqiqatçılar mikroskopik səviyyədə elektron hərəkəti haqqında anlayışımızı dəyişdirə biləcək yeni bir rentgen texnikasını təqdim etdilər. Beynəlxalq alimlər qrupu tərəfindən hazırlanmış bu qabaqcıl metod, atomların qarşılıqlı təsirlərinin təfərrüatlı şəkillərini çəkmək üçün Almaniyanın Hamburq yaxınlığındakı Şenefelddə yerləşən Avropa XFEL rentgen lazerinin unikal xüsusiyyətlərindən istifadə edir – dünyanın ən böyük rentgen lazeri.

Stoxastik Stimulated X-ray Raman Scattering (s-SXRS) adlanan texnika səs-küyü dəyərli məlumatlara çevirir və atomların elektron strukturlarının anlıq görüntülərini təqdim edir. Bu irəliləyiş kimyəvi analiz və material elmində irəliləyişlər üçün zəmin yaradır.

ABŞ Enerji Departamentinin (DOE) Arqon Milli Laboratoriyasından, Maks Plank Nüvə Fizikası İnstitutundan, Avropa XFEL-in Kiçik Kvant Sistemləri (SQS) elmi aləti və başqalarının tədqiqatçıları rentgen spektroskopiyasına bu innovativ yanaşmanı inkişaf etdirərək, misli görünməmiş təfərrüat və dəqiqliyə nail olublar.

Çikaqo Universitetinin professoru Linda Yanq deyir: “Kimyaçılar çoxdan həyəcanlı vəziyyətdə elektronların necə hərəkət etdiyini görmək arzusunda idilər, çünki bu hərəkətlər kimyəvi reaksiyalara səbəb olur”. “Bizim texnikamız bizi bu arzunu həyata keçirməyə daha da yaxınlaşdırır.”

Əsas yenilik, atom mərkəzləri ətrafında elektronların yerləşdirilməsinin öyrənilməsi metodu olan rentgen spektroskopiyasında təfərrüatı xeyli yaxşılaşdıran super rezolyusiyaya malik texnikadır. Bu irəliləyiş elm adamlarına atomlarda yaxın məsafədə yerləşən enerji səviyyələrini müəyyən etməyə kömək edir, onların kimyəvi xassələrini təyin edən elektron strukturlarının daha aydın görünüşünü təqdim edir.Çox sürətli sünbüllərin xaotik paylanmasından ibarət daxil olan rentgen şüaları dalğası (solda) işıq dalğasındakı xüsusi sünbülləri (sağda) gücləndirmək üçün qazdakı atomlarla (bənövşəyi nöqtələr) qarşılıqlı təsir göstərir. Kredit: Stacy Huang, Argonne Milli Laboratoriyası

Young izah edir: “Bunu standart təyinatlı televiziyadan ultra yüksək dəqiqlikli ekrana yüksəltmək kimi düşünün”. “Biz indi elektron hərəkətin əvvəllər bulanıq və ya görünməz olan incə detallarını görə bilirik.”

Stoxastik Stimullaşdırılmış X-şüaları Raman Səpilməsinin praktik tətbiqləri genişdir. Məsələn, o, kimyəvi analizlə əlaqəli fundamental proseslərin daha dərindən başa düşülməsini təklif edərək, kimyəvi bağların necə əmələ gəlməsi və ya qırılması barədə məlumat verə bilər. Bu bilik elektronika və nanotexnologiya kimi sənayelərə təsir edən xüsusi elektron xüsusiyyətləri olan yeni materialların hazırlanması üçün vacibdir.

Tədqiqatçılar Avropa XFEL-in rentgen impulslarını neon qaz vasitəsilə istiqamətləndirdilər və nəticədə yaranan radiasiyanı toplamaq üçün spektrometrdən istifadə etdilər. Kiçik, 5 millimetrlik qaz hüceyrəsi Maks Plank Nüvə Fizikası İnstitutu tərəfindən layihələndirilib. Güclü şüa hüceyrənin giriş və çıxış pəncərələrində xırda dəliklər yaradaraq, rentgen şüalarının İsveçin Uppsala Universitetinin əməkdaşları tərəfindən təmin edilmiş ızgara spektrometrinə – işığı müxtəlif dalğa uzunluqlarına ayıran cihaza keçməsinə imkan verirdi.

Avropalı XFEL mütəxəssisləri quraşdırmanın koordinasiyasında və hərtərəfli eksperimental sınaqların aparılmasında mühüm rol oynamışlar.

Avropa XFEL-in Kiçik Kvant Sistemləri (SQS) alətinin qrup rəhbəri və Cluster of Excellence CUI: Advanced Imaging of Matter-in tədqiqatçısı Maykl Meyer izah edir: “Bu, təcrübə zamanı böyük həcmdə məlumatın səmərəli şəkildə əldə edilməsi üçün vacib olan optimal fokuslanma şəraitini təmin etdi”.

X-şüaları qazdan keçərkən, onlar Raman siqnallarını – atomların və ya molekulların həyəcanlanmış elektron halları haqqında məlumat verən rentgen barmaq izinin bir növü – təxminən bir milyard dəfə gücləndirirlər. Bu gücləndirilmiş siqnal, qazın elektron quruluşu haqqında femtosaniyə və ya saniyənin katrilyonda biri haqqında ətraflı məlumat verir.

Daxil olan impulslar və nəticədə yaranan Raman siqnalları arasındakı əlaqəni təhlil edərək, elm adamları müxtəlif enerji səviyyələrində yavaş-yavaş skan etmək əvəzinə, bir çox fərdi snapshotlardan ətraflı enerji spektri yarada bilərlər.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Maks Plank Nüvə Fizikası İnstitutundan Tomas Pfeifer deyir: “Hər rentgen şüasında çoxlu sayda impuls təkcə ölçmə siqnalını gücləndirmir, həm də detektora birdən çox foton təsirini orta hesabla alaraq ən yüksək spektral ayırdetmə açarını saxlayır”.

Pfeifer əlavə edir: “Geniş, lakin fərqli spektral sünbüllərin mərkəzi mövqeyini sünbüllərin enindən daha dəqiq müəyyən edən bu yanaşma 2014-cü ildə kimya üzrə Nobel Mükafatını qazanmış super rezolyusiyaya malik mikroskopiya texnikasına bənzəyir”.s-SXRS eksperimental tərtibatı və konsepsiyası. Kredit: Təbiət (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09214-5

Stoxastik Stimullaşdırılmış X-ray Raman Səpilməsi, gələn rentgen impulslarını buraxılan Raman siqnalları ilə əlaqələndirmək üçün kovariasiya analizi adlanan statistik metoddan istifadə edir. Bu, bir vaxtlar “səs-küy” hesab ediləni qiymətli mənbəyə çevirir və mürəkkəb məlumatlardan ətraflı məlumat çıxarmağa imkan verir. Bu yanaşma nəinki rezolyusiyanı gücləndirir, həm də atomik qarşılıqlı əlaqənin sürətli və təfərrüatlı görüntülərini təmin edərək məlumatların toplanması prosesini sürətləndirir.

Bu tədqiqatın digər mühüm hissəsi, rentgen impulsları və maddə arasındakı mürəkkəb qarşılıqlı əlaqəni simulyasiya etmək üçün lazımi hesablama gücünü təmin edən DOE Elm İdarəsi istifadəçi obyekti olan Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) ilə əlaqəli idi. Bu simulyasiyalar eksperimental nəticələrin şərhi və texnikanın təkmilləşdirilməsi üçün çox vacib idi.

Təfərrüatlı simulyasiyalar eksperimental məlumatlarla sıx uyğunlaşaraq, rentgen impulslarının qazlardan keçərkən necə davrandığına dair qiymətli fikirlər təmin etdi. Hesablamalar tədqiqatçıların rentgen impulslarının necə hərəkət etdiyini və qarşılıqlı əlaqədə olduğunu başa düşməkdə mühüm rol oynadı və gələcək tədqiqatlara zəmin yaratdı.

Davamlı irəliləyişlərlə s-SXRS bütün dünyada laboratoriyalarda standart alətə çevrilərək bir çox sahələrdə innovasiyaya təkan verə bilər.

Meyer əmindir: “Bu tədqiqat Avropa XFEL-in qabiliyyətinə, xüsusən də onun yüksək intensivliyinə və bu yaxınlarda bir femtosaniyədən az müddətə son dərəcə qısa rentgen impulslarının nümayiş etdirilməsinə əla nümunədir. Bu irəliləyişlər, şübhəsiz ki, mürəkkəb kimyəvi reaksiyaların dinamikasını açmaq üçün əlavə araşdırmalara təkan verəcək.”

Young deyir: “Biz indicə bu səviyyəli detallarla əldə edə biləcəyimiz şeylərin səthini cızmağa başlayırıq”. “Elm və texnologiya üçün maraqlı vaxtdır.”

Daha çox məlumat: Kai Li et al, Super-resolution stimulated X-ray Raman spectroscopy, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09214-5

Jurnal məlumatı: Təbiət 

Avropa XFEL tərəfindən təmin edilmişdir