Ultra hızlı X-ışını flaşları, neden oldukları hasarı kısmen tersine çevirerek daha parlak, daha doğru görüntüleme sağlar

Önemli ölçüde daha az hasarla parlak X-ışını görüntüleri üretmeyi başaran Hamburg Üniversitesi ve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibine göre, X-ışınları ile madde arasındaki etkileşim aktif olarak kontrol edilebiliyor. ‘da yayınlanan bir makalede Doğa İletişimiAraştırmacılar, ürettikleri hasarı kısmen tersine çeviren ultra hızlı darbeler kullandıklarını bildiriyorlar.

X ışınları iyonlaştırıcı radyasyondur ve neredeyse tüm maddelere zarar verebilir. Radyologların görüntülemede X-ışını dozunu mümkün olduğu kadar düşük tutmaya çalışmasının nedeni budur. Aynı zamanda görüntünün yeterince parlak olduğundan ve teşhis için yeterli ayrıntı içerdiğinden emin olmaları gerekir. Bu değiş tokuş onlarca yıldır X-ışını görüntülemeyi şekillendirmiştir.

Bireysel moleküller ve nanopartiküllerdeki kimyasal reaksiyonları görüntülemek isteyen araştırmacılar, aynı problemin çok daha aşırı bir versiyonuyla karşı karşıya kalıyor. Bir atom kümesindeki reaksiyon kadar küçük ve geçici bir şeyi yakalamak için, numuneyi son derece kısa bir patlamada çok sayıda X-ışını fotonuyla aydınlatmaları gerekir. Bunun için en gelişmiş araçlar – X-ışını serbest elektron lazerleri (XFEL’ler) – numunenin fiziksel tahribatını “geçmeye” yetecek kadar kısa flaşlar üretir.

Ancak bu kısa darbeler bile kullanılabilir bir görüntü kaydedilmeden önce atomlardan elektronları soyar ve katı bir yapıyı iyon ve elektronlardan oluşan bir buluta dönüştürür. Bu sözde “elektronik beyazlatma” uzun süredir yüksek çözünürlüklü X-ışını görüntülemenin kaçınılmaz bir sınırlaması olarak kabul ediliyor. Numune beyazlaştıktan sonra X ışınlarına karşı daha şeffaf hale gelir ve görüntü kalitesi ve çözünürlüğü bozulur.

Attosaniye darbeleri dengeyi değiştiriyor

Yeni çalışmada ekip, X-ışını dozu aşırı seviyelere çıkarıldığında bile bu beyazlamayı azaltmanın bir yolunu rapor ediyor. Bunu başarmak için araştırmacılar, neon nanoparçacıklarını yalnızca birkaç yüz attosaniye süren yeni X-ışını darbeleriyle aydınlattılar. Bu atımlar, daha önceki FEL görüntüleme deneylerinde kullanılanlardan kabaca 100 ila 1000 kat daha kısaydı.

Bu ultra kısa flaşları neon K-kenarına (neon atomlarının X ışınlarına özellikle güçlü tepki verdiği bir enerji) yakınına ayarlayarak araştırmacılar beklenmedik bir gözlem yaptılar: Darbeler yalnızca hasarı daha etkili bir şekilde aşmakla kalmadı, aynı zamanda ışınlama devam ederken hasarın bir kısmını da aktif olarak tersine çevirdi.

Uyarılmış emisyon elektronları geri iter

Araştırmanın ilk yazarı Anatoli Ulmer, “Yoğun X-ışınları bir numuneye çarptığında, normalde elektronları orijinal durumlarından çıkarırlar. Kabul edilen görüşe göre, bu hasar bir kez tetiklendiğinde, maruz kalma sırasında geri alınamaz” diyor. “Attosaniye ölçeğindeki darbeler, olağan hasar kademesini aşarak bu döngüyü kırıyor. Buna ek olarak, rakip bir süreç gözlemledik: uyarılmış emisyon. Bu durumda, X-ışınları bazı elektronları orijinal durumlarına doğru geri itiyor. Dolayısıyla uyarılmış emisyon, elektronik ağartmayı etkin bir şekilde azaltıyor.”

Uyarılmış emisyonun etkisini daraltmak için ekip, 300 attosaniyelik darbelerin etkisini, benzer parlaklıkta 50 kat daha uzun süren darbelerle karşılaştırdı. Darbeler çok kısa olduğunda beyazlatmadan sorumlu mekanizmaların birçoğunun başlamak için zamanı bile olmayabilir. Daha uzun darbeler sıcak, yoğun bir serbest elektron bulutu üretti. İyonların kendileri neredeyse hiç hareket etmese de, bu nanoplazma sonuçta numunedeki yapısal bilgiyi bulanıklaştırır.

Buna karşılık, ultra hızlı darbeler ana iyonlarına bağlı kalan daha fazla elektronu yansıtıyordu. Bu, numuneyi çok daha doğru bir şekilde temsil eden bir görüntü üretti; tıpkı X ışınları gelmeden önceki haliyle.

Ek olarak, attosaniye darbelerinden gelen X-ışını sinyali, numune daha az iyonize olmasına rağmen önemli ölçüde daha güçlüydü. Hamburg Üniversitesi profesörü ve Cluster of Excellence CUI: Advanced Imaging of Matter araştırmacısı Tais Gorkhover, “Daha parlak görüntülerin daha az hasarla geldiğini görmek bizi çok şaşırttı” diyor. “Bu biraz metal bir çatıdan giderek daha fazla güneş ışığını çatı daha fazla ısınmadan yansıtmaya benziyor.”

Bu etki teorik olarak uyarılmış emisyonla da açıklanabilir: Ağartma çok fazla ilerlemediği sürece elektronlar X-ışını ışığıyla orijinal iyonlarına doğru geri itilebilir.

Hasarı aşmaktan onu yönlendirmeye kadar

Sonuçlar, dikkati daha önce pasif olan yaklaşımdan X-ışını görüntülemeyi iyileştirmeye kaydırıyor. Bulgular, hasarı yalnızca daha kısa maruz kalma veya sınırlı X-ışını dozlarıyla kazanılabilecek bir tür yarış olarak görmek yerine, X-ışınları ile madde arasındaki etkileşimin aktif olarak yönlendirilebileceğini öne sürüyor. Hasara neden olan aynı yoğun ışıkla, onu en azından kısmen ortadan kaldırmak da mümkündür.

Araştırmanın önde gelen bilim adamlarından biri olan Phay Ho, “Bu çalışma, ultra hızlı elektronik dinamikleri kontrol ederek maddenin X-ışını tepkisini uyarlayabileceğimiz ve sonuçta X-ışınlarının materyaller arasında nasıl emildiğini, dağıldığını ve yayıldığını etkileyebileceğimiz bir geleceğe işaret ediyor” diyor.