Se describe un experimento diseñado para probar los daños electrónicos en nanocristales de buckminsterfullereno (C60) por intenso, femtosecond pulsos de rayos x. El experimento encontró que, sorprendentemente, en lugar de ser estocásticos, los rayos x inducida por electrónica dinámica en C60 está altamente correlacionada, extendiéndose sobre cientos de células de la unidad dentro de los cristales1.
Los detalles precisos de la interacción de pulsos intensos de rayos x con la materia son un tema de intenso interés para los investigadores que intentar interpretar los resultados de experimentos de femtosegundo rayos x electrón libre láser (XFEL). Un número creciente de observaciones experimentales ha demostrado que aunque el movimiento nuclear puede ser insignificante, dado un corto bastante duración de pulso incidente, movimiento electrónico no puede ser ignorado. Los modelos actuales y ampliamente aceptados asuman que aunque electrones experimentan la dinámica impulsada por la interacción con el pulso, su movimiento podría en gran parte ser considerado ‘al azar’. Esto entonces permitiría la contribución supuestamente incoherente del movimiento electrónico a tratarse como una señal de fondo continua y así ignorado. El objetivo de nuestro experimento fue precisamente medir el cambio en la intensidad de los picos de Bragg, debido a rayos x inducida por daños electrónicos en un sistema modelo, cristalina C60. Contrario a esta expectativa, observamos que en las intensidades de rayos x más alta, la dinámica de electrones en C60 de hecho fueron altamente correlacionada, y suficientemente largas distancias que las posiciones de las reflexiones de Bragg son significativamente alteran. Este documento describe en detalle los métodos y los protocolos usados para estos experimentos, que se llevaron a cabo tanto en la fuente de luz coherente Linac (LCLS) y el sincrotrón australiano (AS) así como los métodos cristalográficos utilizados para analizar los datos.
Uno de los principales propósitos de láseres de electrones libres de rayos x (XFELs) es desarrollar un enfoque de alta resolución de imagen molecular y dinámica, alto rendimiento. Biología estructural depende de la información de escala atómica, tradicionalmente limitado a bajar técnicas de Cristalografía de rayos x de la resolución en sincrotrones de generación tercera. Largos tiempos de exposición que causan daños importantes de la radiación en cristales, afectan grandemente la resolución alcanzada usando las técnicas tradicionales. La difracción de la instantánea de esquema2,3,4 en XFELs, implica la recopilación de imágenes de difracción de rayos x de pulso corto golpear ya sea muestras de blanco fijo (que se convierten en el foco de la viga) o muestras que se inyecta en la trayectoria del haz.
La interacción del pulso muestra XFEL destruye en última instancia las muestras, debido a la aparición de daños severa de la radiación. Las imágenes de difracción se recogen antes de la aparición de esta destrucción debido a las duraciones de pulso de sub-100 fs. La capacidad para determinar las estructuras de alta resolución de nanocristales se está convirtiendo en bien establecida. Sin embargo, los procesos dinámicos que ocurren en escalas de tiempo de femtosegundo bajo condiciones experimentales de imagen ofrecen penetraciones más profundas en física atómica y pueden tener un efecto macroscópico de nanocristales y su difracción patrones5,6 ,7.
Mientras que se evitan catastróficos daños estructurales en la escala temporal de femtosegundos durante el cual se registra una imagen de difracción de la instantánea, la densidad de energía de un pulso XFEL puede ser suficientemente alta como para modificar las propiedades electrónicas de la muestra con la que los rayos x interactuar7,8,9. Una exploración de la física de la interacción de intensos pulsos de rayos x coherentes con la materia no es solamente de interés científico intrínseco, pero será muy importante para la interpretación de cualquier experimento en el que la luz de un XFEL pulso se utiliza para explorar estructura.
En proyección de imagen de experimentos realizada en las moléculas individuales, pequeños grupos o nanocristales de algunas células de la unidad de rayos x, análisis perturbative indica que se debe observar tanto una reducción en la aparente coherencia de la señal dispersos8, y el crecimiento de una señal de fondo sin estructura como resultado de procesos electrodynamical9. Este experimento busca evaluar el grado en que decoherencia debido a procesos electrodynamical, se presenta en polvo nanocristalino C60 debido a la interacción con pulsos cortos de XFEL.
En este artículo, proporcionan detalles sobre el procedimiento experimental en el que se observa una altamente ordenada estructura electrónica transitoria de nanocristales de60 C debido a la interacción con un pulso XFEL del1. El patrón de difracción producido en estas condiciones es significativamente diferente de la observada cuando la misma muestra es iluminada por una energía más baja, pero idéntico XFEL pulsos, o cuando se utiliza un haz de luz de sincrotrón en la misma energía del fotón. Esta diferencia es marcada por la presencia de los picos de Bragg que no se ven en los dos perfiles de difracción correspondientes a las imágenes de difracción de baja potencia y sincrotrón. Demostramos nuestro análisis y ajuste de modelo de enfoque, utilizado para confirmar la presencia de una distorsión electrónica dinámica inducida por la interacción de pulso-nanocrystal XFEL.
Calibración de marcos de datos de difracción.
La. Archivos XTC (que contienen los datos de un funcionamiento completo) contienen parámetros de calibración que definen la disposición geométrica de CSPAD módulos (que se muestra en la Figura 2a) durante el experimento. La disposición correcta de los datos registrados en los módulos individuales es fundamental para montar las imágenes de datos de difracción individual con los datos registrados en cada carrera. En el momento que el experimento se realizó la ubicación del archivo de calibración que contiene los parámetros correctos no automáticamente se constituyó y cómputo manual fue requerido por el equipo para corregir el problema. Debido a la calibración realizar tiempo extra de los datos hubo un desfase temporal entre la configuración de un conjunto de datos de instantánea ejecutar y comprobar el éxito de la gestión a través de un campo oscuro y el fondo resta suma de marcos de imagen en el conjunto de datos.
Tamaños de cristal.
En algunas de la XFEL inicial instantánea funciona, fuerte solo cristal reflexiones de Bragg fueron vistos en algunos de los marcos de imagen. Esto resultó de algunos de la muestra de60 C no ser triturada finamente lo suficiente. Observación ópticas reflejos de polvo triturado indica que las facetas de cristal son demasiado grandes (corresponden a la longitud de onda de luz visible ~ 400-700 nm). El polvo debe revisarse estas reflexiones en la etapa de trituración, y si es fuerte, solo cristal reflexiones de Bragg se observan en los datos el polvo necesita más aplastado.
Puesto que los resultados de este experimento no esperados o planeados para recopilación de datos de difracción de polvo exitoso para la muestra de60 C se obtuvo sólo dos ajustes de intensidad extrema (flujo 10% y 100%). Haz tiempo en la instalación es limitado y por lo tanto, cualquier configuración, cómputo o muestra errores y problemas de procesamiento tienen una gran incidencia en un plan experimental. Los dos más ampliamente separaron intensidad incidente puntos fueron priorizados y hubo rayo insuficiente tiempo disponible para recoger estadísticas fiables para cualquier punto intermedio. Por lo tanto, no fuimos capaces de evaluar experimentalmente el punto de activación en términos de flujo XFEL en que se produce este cambio de fase transitoria.
Estudios preliminares.
Recogida de datos de difracción de polvo en el sincrotrón australiano, de la misma muestra de60 C medido en el XFEL. Sincrotrones se utilizan habitualmente para XFEL adecuado objetivos26, y en el presente caso positivamente confirmó que en el 10% de intensidad XFEL, los datos de difracción eran consistentes con la estructura de estado FCC de C60.
Atenuación de la muestra y el detector.
Calibración del flujo incidente con el ajuste de los atenuadores de silicio aguas arriba de la muestra era esencial, sobre todo porque el efecto en estudio fue dependiente de la intensidad. Construcción de un atenuador de aluminio adecuado en el detector, coincide con el flujo incidente también fue crítico.
Golpea la muestra en la ubicación del punto focal de la viga.
La ubicación del punto focal KB en el XFEL también era esencial para observar el fenómeno reportado, ya que la densidad de flujo en la muestra debe ser suficiente para inducir la formación de dipolos en el cristal. Medición del tamaño de cráteres creados por el rayo XFEL en un cristal de YAG mediante microscopía óptica, así como la realización de un análisis fino de la muestra a lo largo del eje óptico y mirando la intensidad de difracción se utilizó para determinar la localización del plano focal.
En el futuro se explorarán las implementaciones de este trabajo un mayor número de incidentes intensidades y duraciones de pulso. Este trabajo tiene implicaciones potenciales para los próximos experimentos analizando los datos de difracción de nanocristales en fuentes XFEL. También proporciona nuevas penetraciones en la interacción fundamental de XFELs con la materia, destacando que XFELs tienen el potencial para explorar la nueva física no acomodado dentro de Cristalografía convencional.
The authors have nothing to disclose.
Los autores reconocen el apoyo de la australiana Consejo centro de excelencia en la investigación en Imagen Molecular avanzada. Porciones de esta investigación se llevaron a cabo en el LCLS, una instalación de usuario nacional operada por la Universidad de Stanford en nombre del Departamento de energía de Estados Unidos, oficina de ciencias básicas de energía. Reconocemos la viajes financiación proporcionada por el programa de acceso de sincrotrón internacional administrada por el y por el gobierno australiano. Además, algunos de esta investigación se llevó a cabo en las líneas de MX1 y MX2 en el AS, Victoria, Australia. Las contribuciones del autor: B.A. fue encargado de planificar y gestionar todos los aspectos experimentales del proyecto. Experimentos fueron diseñados por B.A., R.A.D., V.S., C.D. y B.A. G.J.W., H.M.Q., K.A.N. y R.A.D. escribieron la original propuesta del LCLS. D.W., R.A.D., R.A.R., A.V.M., C.E. y S.W. llevó a cabo el trabajo de simulación. B.A., R.A.D., C.D., V.S. M.W.M.J., R.A.R., N.G., F.H., G.J.W., S.B., M.M., M.M.S., heredarlo, C.T.P., A.V.M. y K.A.N. recogieron los datos experimentales en el LCLS. S.W., V.A.S. y R.A.D recogieron datos experimentales en el sincrotrón australiano. C.T.P. y A.V.M. condujeron a la conversión de los datos experimentales y el análisis. B.A., C.D., N.G. y E.B. fueron responsables para el diseño de muestra y prueba. R.A.R, B.A., S.W., A.V.M y H.M.Q escribieron este manuscrito. La formulación de daños electrónicos dentro de la teoría de la coherencia se realiza por H.M.Q. y K.A.N.; R.A.D. concibió la idea de aplicar este formalismo para C60.
Macroscopic 99.5+ % pure C60 | SES RESEARCH | ||
Pestle and mortar | Sigma Aldrich | used for crushing C60 powder; | |
Aluminium sheet | used for constructing sample holder | ||
kapton polyimide film | Du Pont | http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film/ | |
CXI beamline | SLAC | http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?yi5003 | |
safety glasses | |||
biosafety cabinet |