Holografia rentgenowska w locie

(Bild links) Promieniowanie rentgenowskie jest rozpraszane na dwóch kulach i tworzy charakterystyczny wzór interferencyjny, który nazywany jest hologramem. (Bild Mitte) Zmiany rozmiaru lub odległości kul odzwierciedlają się bezpośrednio w hologramie i można je z niego również wyliczyć. (Bild rechts) Jeśli obie kule nie leżą w tej samej płaszczyźnie, wzory interferencyjne zmieniają się w zakrzywione linie, z których można odtworzyć trójwymiarowe ułożenie. W przypadku „Holografii w locie” mniejsza kula jest wykorzystywana jako holograficzny punkt odniesienia, a większa zastępowana jest próbą badawczą. Z hologramu można nie tylko odczytać odległość, ale także strukturę próbki dzięki charakterystycznemu interferencyjnemu wzorowi. (© Tais Gorkhover & Anatoli Ulmer)

Badaczki i badacze z grupy roboczej prof. Thomasa Möllera z Instytutu Optiki i Fiziki Atomowej na TU Berlin wspólnie z międzynarodowym zespołem opracowali nowy rodzaj holografii, zwaną „Holografią w locie” („In-Flight Holography”). Dzięki tej specjalnej metodzie holografii rentgenowskiej udało im się po raz pierwszy uzyskać obrazy wysokiej rozdzielczości nanowirów, które wcześniej nie musiały być przyczepione do powierzchni — były więc „w locie”.

Holografia opiera się w szerokim zakresie na interferencji — czyli nakładaniu się — promieni świetlnych. Hologram powstaje, gdy światło rozprasza się na obiekcie i nakłada się na nie z referencyjnym promieniem. To nakładanie się prowadzi do unikalnych wzorów interferencyjnych, z których za pomocą specjalnych algorytmów można wyliczyć informacje o strukturze obiektu. Na przykład w przypadku hologramów optycznych można ustalić trójwymiarową strukturę obiektu.

W zakresie rentgenowskim holografia jest potężnym narzędziem i pozwala bez dużych obliczeń uzyskać unikalne wglądy w strukturę drobnych cząstek, takich jak wirusy i inne nanocząstki. „Jedną z wad jest to, że do tej pory musiano przyczepić próbki o rozmiarze nanometrów do powierzchni. Może to stanowić problem dla próbek biologicznych i wrażliwych, takich jak wirusy, ponieważ każda metoda utrwalenia automatycznie zmienia próbkę. Powstały obraz więc nie odzwierciedla pierwotnego stanu” — wyjaśnia Anatoli Ulmer, współautor badania i doktorant na katedrze prof. Möllera na TU Berlin.

„Co wyróżnia naszą metodę, to fakt, że badamy nanocząstki bez konieczności ich wcześniejszej zmiany. Dodatkowo metoda ta umożliwia jednoznaczną i prostą rekonstrukcję próbki i jest mniej podatna na szumy tła i inne czynniki zakłócające w porównaniu z metodami nieholograficznymi” — dodaje Anatoli Ulmer.

W tym badaniu naukowcy i naukowczynie wykazali, że rentgenoholografię można z powodzeniem stosować także do nieutrwalonych nanocząstek w fazie gazowej. Eksperyment został przeprowadzony głównie przez dr Taisa Gorkhover, prof. dra Christopha Bostedta i Anatoli Ulmera w laserze rentgenowskim Linac Coherent Light Source (LCLS) w Kalifornii i został wybrany na okładkę marcowego wydania „Nature Photonics”.

Do próbki dodano obiekt referencyjny, co stworzyło warunki do holograficznego zapisu. Jako odniesienie służyły tak zwane nanogruppy: kuliste nanokulki z ksenonu.

Zarówno nanowiry, jak i nanogruppy zostały jednocześnie wprowadzone do fokusu lasera rentgenowskiego. Próbka była naświetlana impulsami laserowymi o czasie trwania rzędu 100 femtosekund (1 femtosekundę = 10^-15 sekund). Promieniowanie rentgenowskie rozpraszało się zarówno na nanogruppach, jak i na wirusach. Powstałe wzory interferencyjne rozproszonego światła były rejestrowane za pomocą specjalnej kamery i zawierały informacje o strukturze wirusa.

„Bez holografii obrazki rozproszenia musiałyby być analizowane w tysiącach kroków i za pomocą skomplikowanych algorytmów. Struktura powstawałaby w wyniku uśredniania setek możliwych rozwiązań. W przeciwieństwie do tego, nasze hologramy można jednoznacznie interpretować w zaledwie dwóch krokach” — dodaje dr Tais Gorkhover, główna autorka badania, kierowniczka zespołu odpowiedzialnego za eksperyment i była pracownica TU Berlin, obecnie prowadząca badania na Uniwersytecie Stanforda w USA.

Na dłuższą metę ta holograficzna metoda może otworzyć nowe drogi do lepszego badania nanocząstek, które odgrywają dużą rolę w zanieczyszczeniu powietrza, mechanizmach spalania i katalizie.

*Publikacja: Femtosecond X-ray Fourier holography imaging of free-flying nanoparticles; Nature Photonics, Tom 12, strony 150–153 (2018), DOI: 10.1038/s41566-018-0110-y