Uluslararası bir araştırma ekibi, European XFEL tesisinde farklı dalga boyundaki iki X-ışını darbesini kullanarak aynı serbest helyum nanodamlasını femtosaniyeler arayla iki ayrı anda kaydetmeyi başardı.
Uluslararası bir araştırma ekibi, Almanya'da bulunan European XFEL tesisindeki serbest elektron lazerini kullanarak aynı nanoparçacığı femtosaniyeler arayla iki kez görüntülemeyi başardı. Nature Communications dergisinde yayımlanan iki ayrı çalışmada, yüksek hızdaki X-ışını darbeleriyle kaydedilen ve dedektör üzerinde üst üste binen kırınım desenlerini birbirinden ayıran iki tamamlayıcı yöntem tanıtıldı. ETH Zürih Fizik Bölümünden Alessandro Colombo, yapılan çalışmanın önemini "Bildiğim kadarıyla bunlar, aynı nesnenin birden fazla karesini kastedersek, şimdiye kadar kaydedilmiş en hızlı nano ölçekli filmlerdir." sözleriyle ifade etti. Geliştirilen teknik, moleküler düzeyde kimyasal tepkimelerin ardından nanoparçacıklarda meydana gelen anlık yapısal dönüşümlerin doğrudan tek bir numune üzerinden belgelenmesine imkan tanıyor.
Molekül araştırmalarında süreçler genellikle farklı numunelerin çeşitli zaman aralıklarında tetiklenip fotoğraflanmasıyla izlenirken, boyut, şekil ve yönelim açısından tekdüze olmayan nanoparçacıklarda bu yaklaşım yetersiz kalıyordu. European XFEL bünyesindeki Küçük Kuantum Sistemleri (SQS) cihazında çalışan araştırmacı Yevheniy Ovcharenko, nanoparçacıkların tek tek moleküllere kıyasla daha az homojen olduğunu, bu nedenle süreçlerin mutlaka aynı numune üzerinde incelenmesi gerektiğini belirtti. Tesis bünyesinde toplam uzunluğu 120 metre olan iki ayrı dalga üretici bölümü, yaklaşık 1,0 ve 1,2 kiloelektronvolt foton enerjilerine, yani iki farklı X-ışını rengine ayarlandı. İlkinden onlarca ila yüzlerce femtosaniye sonra salınan ikinci darbe, serbest uçuş halindeki helyum nanodamlası üzerine odaklandı.
Darbelerin saçılmasıyla oluşan sinyaller, gelen fotonların oluşturduğu elektrik yükünü piksel bazında ölçen bir pnCCD dedektöründe toplandı. SQS cihazında grup lideri olan Michael Meyer, tek bir pikselin ilk darbeden bir foton alırken ikinci darbeden birden fazla foton toplayabildiğini ve tek bir fotonun birden fazla pikseli aydınlatabildiğini aktardı. Araştırmacılar, piksellerde ve piksel kümelerinde biriken yük miktarını analiz ederek fotonların hangi darbeden geldiğini ayrıştırdı. ETH Zürih'te doktora adayı ve çalışmaların ilk yazarı olan Linos Hecht, geliştirdikleri yöntemin esnekliğine dikkat çekerek "Yöntem oldukça esnek çünkü belirli bir numune özelliğine dayanmıyor." değerlendirmesinde bulundu.
Ekip, fotonları renklerine göre ayrıştırmanın ötesine geçerek tek bir karışık kırınım deseninden numunenin iki ayrı görüntüsünü elde etmek için dikografi adı verilen ikinci yöntemi geliştirdi. Yinelemeli faz geri kazanım algoritmalarından yararlanan yöntem, kırınım yoğunluklarının toplamı dedektördeki sinyali veren iki bağımsız yapıyı hesapladı. European XFEL verilerinde ksenon parçacıkları içeren bir helyum nanodamlasının 50 ve 750 femtosaniyelik zaman gecikmesiyle alınan iki görüntüsü tek desenden başarıyla çıkarıldı. Elde edilen iki karelik kayıtta, yoğun ışığın parçacıkları patlatma sürecinin incelenen zaman aralığında henüz başlangıç evresinde olduğu ve ksenon kümelerinin temel yapısını koruduğu belirlendi. Kassel Üniversitesinden Marcel Mudrich ve çalışma arkadaşları, yöntemin veri parlaklığı ve renk dengesine bağlı sınırlarını aşmak için tesis altyapısındaki teknik geliştirmelerin süreceğini kaydetti.
Neden önemli?Boyut ve şekil bakımından birbirinden farklı olan nanoparçacıkların ışıkla tetiklenen patlama ve dağılma süreçleri, numune değiştirmeden doğrudan tek bir örnek üzerinde izlenebilecek.
Şu ana kadar bildiklerimiz
- Avrupa XFEL tesisindeki 120 metrelik dalga üreticiler, yaklaşık 1,0 ve 1,2 kiloelektronvolt enerjisinde iki farklı X-ışını darbesi üretti.
- Dedektör üzerine üst üste binen kırınım desenleri, piksel düzeyinde enerji ayrımı ve dikografi adı verilen algoritmik yöntemle birbirinden ayrıştırıldı.
- Araştırma ekibi, ksenon içeren helyum nanodamlasının 50 ve 750 femtosaniye gecikmeli iki ayrı görüntüsünü tek bir kırınım verisinden yeniden oluşturdu.
Cevabı beklenen sorular
- Dikografi algoritmasının veri parlaklığı ve renk dengesi sınırlarının aşılmasıyla daha karmaşık biyomoleküllere ne zaman uyarlanabileceği.
- European XFEL tesisindeki dedektör ve kaynak geliştirmelerinin yöntemi daha geniş ölçekli araştırmalara ne hızla açacağı.
