Vi beskriver et eksperiment designet til sonde den elektroniske skader induceret i nanokrystaller af Buckminsterfullerene (C60) af intens, femtosekund pulser af røntgenstråling. Forsøget fandt, at overraskende, snarere end at være stokastiske, X-ray induceret elektron dynamics i C60 er stærkt korreleret, strækker sig over hundredvis af enhed celler i krystaller1.
De nærmere enkeltheder vedrørende samspillet mellem intens X-ray pulser med sagen er et emne af intens interesse for forskere forsøger at fortolke resultaterne af femtosekund X-ray fri-elektron laser (XFEL) eksperimenter. Et stigende antal eksperimentelle observationer har vist, ikke at selv om nukleare bevægelse kan være ubetydelig, givet en kort nok hændelse impulslængde, elektroniske bevægelse kan ignoreres. De nuværende og bredt accepteret modeller antager, at selv om elektroner gennemgå dynamics drevet af interaktionen med pulsen, deres motion kunne i vid udstrækning anses ’tilfældig’. Dette ville derefter tillade den angiveligt usammenhængende bidrag fra den elektroniske bevægelse skal behandles som en kontinuerlig baggrund signal og derfor ignoreret. Det oprindelige mål i vores eksperiment var at nøjagtigt måle ændringen i intensiteten af individuelle Bragg toppe, på grund af X-ray induceret elektroniske skader i en modelsystem, krystallinsk C60. I modsætning til denne forventning bemærkede vi, at på de højeste X-ray intensiteter, elektron dynamikken i C60 var faktisk stærkt korreleret, og over tilstrækkeligt lange afstande at positioner i Bragg refleksioner er væsentligt ændret. Dette papir beskriver i detaljer de metoder og protokoller, der bruges til disse eksperimenter, som blev gennemført både på Linac sammenhængende lys kilde (LCLS) og den australske synkrotron (AS) samt de krystallografiske metoder anvendt til at analysere dataene.
En af de vigtigste formål med X-ray fri-elektron lasere (XFELs) er at udvikle en høj produktivitet, høj opløsning tilgang til molekylær billeddannelse og dynamik. Strukturel biologi beror på atomar skala oplysninger, traditionelt begrænset til lavere opløsning røntgenkrystallografi teknikker udføres på tredje generation synchrotrons. Lange eksponeringstider, som forårsager betydelig strålingsskader i krystaller, i høj grad påvirke beslutningen opnås ved hjælp af traditionelle teknikker. Snapshot diffraktion imaging ordningen2,involverer3,4 ansat ved XFELs, indsamling diffraktion billeder fra kort puls røntgenstråler rammer enten fast mål prøver (som er oversat på tværs af bjælken fokus) eller prøverne indsprøjtes i sti af strålen.
XFEL puls-prøve interaktion i sidste ende ødelægger prøver, på grund af udbrud af alvorlige strålingsskader. Diffraktion billeder er indsamlet inden fremkomsten af denne destruktion på grund af sub-100 fs puls varigheder. Evnen til at bestemme høj opløsning strukturer fra nanokrystaller er hurtigt ved at blive godt etableret. Men dynamiske processer, der forekommer på femtosekund tidsskalaer under imaging forsøgsbetingelser giver dybere indsigt i atomfysik og kan have en makroskopisk effekt på nanokrystaller og deres diffraktion mønstre5,6 ,7.
Mens katastrofale strukturelle skader undgås på femtosekund tidsskala under som et snapshot diffraktion billedet er optaget, effekttæthed af et XFEL pulse kan være høj nok til at ændre de elektroniske egenskaber af prøven, som x-stråler interagere7,8,9. En udforskning af fysik af samspillet mellem intens sammenhængende X-ray pulser med sagen er ikke kun af iboende videnskabelig interesse, men er kritisk vigtigt at fortolkningen af enhver eksperiment i hvilket lys fra et XFEL pulse bruges til at udforske struktur.
I X-ray imaging eksperimenter udført på enkelt molekyler, små klynger eller nanokrystaller består af et par enhed celler, viser perturbative analyse, at man skal overholde både en reduktion i den tilsyneladende sammenhæng af spredte signal8, og væksten af en structureless baggrund signal som følge af electrodynamical processer9. Dette eksperiment søgt at vurdere grad som decoherence på grund af electrodynamical processer, opstår i pulveriseret nanocrystalline C60 på grund af interaktion med korte XFEL impulser.
I denne artikel vil give vi detaljer om forsøgsmetoden som et særdeles ordnet forbigående elektroniske struktur fra C60 nanokrystaller er observeret på grund af interaktion med et XFEL pulse1. Diffraktionsmønster produceret under disse betingelser er væsentligt forskellig fra den konstaterede da samme prøve er belyst af lavere strøm, men ellers identiske XFEL pulser, eller når en synkrotron stråle på samme photon Energi er brugt. Denne forskel er præget af tilstedeværelsen af Bragg toppe, der ikke er set i to diffraktion profiler svarer til de energibesparende og synkrotron diffraktion billeder. Vi viser vores analyse og model-montering tilgang, bruges til at bekræfte tilstedeværelsen af en dynamisk elektronisk forvrængning induceret af XFEL puls-nanocrystal interaktion.
Kalibrering af diffraktion data frames.
Den. XTC filer (der indeholder data fra en komplet køre) indeholder kalibreringsparametre, som definerer den geometriske arrangement af CSPAD moduler (vist i figur 2a) under eksperimentet. Den korrekte arrangement af data registreres på individuelle moduler er afgørende for at samle de enkelte diffraktion dataafbildninger bestående af data registreret i hver analyseserie. På det tidspunkt forsøget blev udført placeringen af filen kalibrering, der indeholder de korrekte parametre var ikke automatisk konfigureret og manuel beregning var forpligtet af holdet til at løse problemet. På grund af den ekstra tidsforbrug udfører kalibrering af de data, der var en tidsforskydning mellem at et snapshot køre datasæt og kontrollere succes af Kør via en darkfield og baggrund trukket summation af billedrammer i datasættet.
Krystal størrelser.
I nogle af de oprindelige XFEL kører snapshot, stærk enkelt krystal Bragg refleksioner blev set i nogle af billedrammer. Dette skyldtes nogle af C60 prøven ikke bliver knust fint nok. Observere optical refleksioner fra knust pulver indikerer at crystal facetter er for stor (svarer til bølgelængden af synligt lys ~ 400-700 nm). Pulveret skal kontrolleres for disse refleksioner på stadiet knusning, og hvis stærke, pulveret enkelt krystal Bragg refleksioner er set i dataene, der skal være yderligere knust.
Da resultaterne af dette eksperiment ikke var forventet eller planlagt blev vellykket pulver diffraktion dataindsamling for C60 prøve kun fremstillet på to ekstreme intensitet indstillinger (10% og 100% flux). Beam tid på anlægget er begrænset og dermed enhver set-up, beregning eller prøve behandling af fejl og problemer har en stor indvirkning på en eksperimentelle plan. De to mest adskilt udbredte hændelse intensitet punkter var prioriteret og der forelå utilstrækkelige beam tid indsamlet pålidelige statistikker for enhver mellemliggende punkter. Vi kunne derfor ikke eksperimentelt vurdere trigger punkt med hensyn til XFEL flux hvor ændringen forbigående fase opstår.
Foreløbige undersøgelser.
Indsamling af pulver diffraktion data på den australske Synchrotron, fra den samme C60 prøve målt på XFEL. Synchrotrons bruges rutinemæssigt til at screene for egnet XFEL mål26, og i foreliggende sag positivt bekræftet, at diffraktion data på 10% XFEL intensitet, var i overensstemmelse med strukturen grundtilstand FCC C60.
Prøve og detektor dæmpning.
Kalibrering af den hændelse flux gennem tilpasning af silicium attenuatorer opstrøms var af prøven afgørende, da virkningen undersøges var intensitet afhængig. Konstruktion af en passende aluminium lyddæmper på detektoren, matches til hændelse flux var også kritisk.
At ramme prøve på placeringen af beam omdrejningspunkt.
Placeringen af KB fokale spot på XFEL var også nødvendigt at observere den rapporterede fænomen, da fluxtæthed på prøven skal være tilstrækkelig til at fremkalde dannelse af dipoler i hele krystal. Måling af størrelsen af kratere skabt af XFEL stråle i YAG krystal ved hjælp af Optisk mikroskopi, samt udfører en fin prøve scanning langs den optiske akse og ser på diffraktion intensitet blev brugt til at bestemme placeringen af brændplanet.
I fremtiden vil blive udforsket implementeringer af dette arbejde et større antal hændelse intensiteter samt puls varigheder. Dette arbejde har potentielle konsekvenser for kommende eksperimenter analysere diffraktion data indsamlet fra nanokrystaller på XFEL kilder. Det giver også nye indsigt i grundlæggende samspillet mellem XFELs med sagen, fremhæver, at XFELs har potentiale til at udforske nye fysik ikke indkvarteret i konventionelle krystallografi.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne anerkender støtten fra den australske forskning Rådet Centre of Excellence i avanceret Molekylær Imaging. Dele af denne forskning blev udført på LCLS, en national bruger facilitet drives af Stanford University på vegne af det amerikanske Department of Energy, Office of grundlæggende energi Sciences. Vi anerkender, at rejse finansiering fastsat af International synkrotron Access Program forvaltes som og den australske regering. Desuden, nogle af denne forskning blev gennemført på MX1 og MX2 beamlines på AS, Victoria, Australien. Forfatter bidrag: B.A. var ansvarlig for planlægning og administration af alle eksperimentelle aspekter af projektet. Eksperimenter blev designet af B.A., R.A.D., vs, skrev C.D., og G.J.W. B.A., H.M.Q., K.A.N. og R.A.D. det oprindelige forslag fra LCLS. DW, R.A.D., R.A.R., AVM, E.C. og S.W. udført simulering arbejde. B.A., R.A.D., C.D., vs, M.W.M.J., R.A.R., Johan, F.H., G.J.W., S.B., M.M., M.M.S., A.G.P., C.T.P., AVM og K.A.N. indsamlet eksperimentelle data på LCLS. S.W., V.A.S. og R.A.D indsamlet eksperimentelle data på den australske synkrotron. C.T.P. og AVM førte forsøgsdata konvertering og analyse. B.A., C.D., N.G. og E.B. var ansvarlig for prøven indehaveren design og test. R.A.R, B.A., S.W., A.V.M og H.M.Q skrev dette håndskrift. Formuleringen af elektroniske skader i sammenhæng teori er udført af H.M.Q. og K.A.N.; R.A.D. undfanget ideen om, at anvende denne formalisme 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 |