Ny avbildningsteknik med röntgenstrålning

Forskarna har för första gången lyckats avbilda strukturen för ett kopparprov genom att mäta den röntgenfluorescens som uppstår när kopparatomerna i provet bestrålas. Studien publicerades nyligen i Physical Review Letters och har också valts ut som Editor Viewpoint.

Metoden i experimentet bygger på samma princip som de två astronomerna Hanbury-Brown och Twiss använde sig av på 50-talet, när de bestämde storleken på avlägsna stjärnor. De två astronomerna lyckades bestämma storleken på stjärnor med hjälp av två teleskop som detekterade ljus som kom från olika delar av samma stjärna och interfererade med varandra på väg mot jorden. Detta var ett banbrytande experiment som öppnade upp dörren mot kvantoptiken och gav en bättre förståelse för ljusets kvantnatur.

I den nya studien har Uppsalaforskarna i ett samarbete med forskare från ett flertal tyska institut använt sig av samma princip och kvantegenskaperna för röntgenstrålning. Istället för ljus från stjärnorna har de använt sig av fluorescensljus som skapats genom att bestråla atomerna i ett kopparprov. Detta har de gjort med hjälp av ultrasnabba och superstarka röntgenpulser från anläggningen European X-ray Free Electron Laser (EuXFEL) i Hamburg.

Röntgenfluorescens skapas när tyngre atomer, såsom metallatomer som finns i många proteiner och proteinkomplex i levande materia på jorden, bestrålas med röntgenstrålning. Fluorescensen kan ge mer information om den lokala strukturen och atomernas kemiska tillstånd, som är användbart för att kunna lära sig mer om hur viktiga protein i kroppen fungerar. Detta är första gången man undersökt interferens av röntgenfluorescens som kommer från oberoende atomära källor. Genom att mäta interferensen har forskarna lyckats avbilda källornas struktur som en bild på en avancerad 2D-detektor med hög upplösning och snabb responstid.

Totalt gjordes över 58 miljoner exponeringar i studien. Varje bild hade en svag signal med bara några tusen fotoner som detekterades per bild, och varje pixel i en sådan bild kan ses som ett miniteleskop.

Röntgenfluorescensljuset emitteras, eller avges, under mindre än en femtosekund och interferens kan bara ske mellan källor som nästintill samtidigt avger ljus under denna extremt korta tid. Genom att mäta korrelationerna mellan fotonerna, kunde forskarna få fram information om positionen för de två oberoende fluorescerande källorna på kopparprovet.

I studien använde sig forskarna av ett kopparprov, men förhoppningen är att metoden som används i studien kan utvecklas och kombineras med andra metoder för röntgenavbildning av till exempel proteiner framöver.

Artikelreferens

Fabian Trost et al., Imaging via Correlation of X-Ray Fluorescence Photons, Phys. Rev. Lett. 130, 173201 – publicerad  24 april 2023. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.173201

Editors viewpoint i Physical Review Letters

Kontakt

Nicusor Timneanu, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi, nicusor.timneanu@physics.uu.se.

Camilla Thulin