Vi beskriver ett experiment utformade sond elektroniska skador inducerade i nanokristaller av Buckminsterfullerene (C60) genom intensiv, femtosekund pulser av röntgenstrålning. Experimentet hittade, överraskande, snarare än att vara stokastiska, röntgen inducerad elektron dynamik i C60 är starkt korrelerade, sträcker sig över hundratals enhet celler inom kristaller1.
De exakta detaljerna av växelverkan av intensiv röntgen pulser med materia är ett ämne av intensivt intresse för forskare som försöker tolka resultaten av femtosekund röntgen fri elektron laser (XFEL) experiment. Ett ökande antal experimentella observationer har visat att även nukleära rörelse kan vara försumbar, ges en kort tillräckligt incident pulslängd, elektronisk rörelse inte kan ignoreras. Den nuvarande och allmänt accepterade modeller antar att även om elektroner genomgå dynamics drivs av interaktion med pulsen, deras rörelse kunde till stor del anses ’tillfällig’. Detta skulle sedan tillåta förment osammanhängande bidrag från den elektroniska motion ska behandlas som en kontinuerlig bakgrund signal och därmed ignoreras. Det ursprungliga syftet med vårt experiment var att exakt mäta förändringen i intensitet av enskilda Bragg toppar, på grund av röntgen inducerad elektroniska skador i modellsystem, kristallint C60. Mot denna förmodan observerat vi att på de högsta stödnivåerna som röntgen, electron dynamiken i C60 var faktiskt starkt korrelerade och tillräckligt långa sträckor att positionerna för Bragg reflektioner är signifikant förändrade. Detta dokument beskriver i detalj de metoder och protokoll som används för dessa experiment, som utfördes både på Linac koherent ljus källa (LCLS) och den australiska Synchrotron (AS) samt de kristallografiska metoder som används för att analysera data.
En av de stora syftena med röntgen fri elektron lasrar (XFELs) är att utveckla en hög genomströmning, hög upplösning strategi för molekylär avbildning och dynamics. Strukturbiologi beror på atomär skala information, traditionellt begränsade till lägre upplösning röntgenkristallografi tekniker utförs på tredje generationen synkrotroner. Långa exponeringstider som orsakar betydande strålskador i kristaller, påverka kraftigt den resolution som uppnås med hjälp av traditionella tekniker. Ögonblicksbild diffraktion imaging system2,innebär3,4 anställda vid XFELs, att samla diffraktion bilder från kort puls röntgen drabbar antingen fasta mål prover (som är översatta över strålen fokus) eller prover injiceras i sökvägen till balken.
XFEL puls-prov interaktionen förstör slutändan proverna, på grund av uppkomsten av svåra strålskador. Diffraktion bilderna samlas före uppkomsten av denna förstörelse på grund av sub-100 fs puls varaktigheterna. Möjligheten att bestämma högupplöst strukturer från nanokristaller blir snabbt väl etablerat. Men dynamiska processer som förekommer på femtosekund tidsskalor experimentell imaging villkor ger djupare insikter i atomfysik och kan ha en makroskopisk effekt på nanokristaller och deras diffraktion mönster5,6 ,7.
Katastrofala strukturella skador undviks på femtosekund tidsskala under vilken en ögonblicksbild diffraktion bild registreras, Drivatätheten av en XFEL puls kan vara tillräckligt hög för att ändra de elektroniska egenskaperna hos provet som röntgenstrålarna interagera7,8,9. En utforskning av fysiken av samspelet mellan intensiv sammanhängande röntgen pulser med frågan är inte bara av inneboende vetenskapliga intresse, men är kritiskt viktigt att tolkningen av några experiment där ljuset från en XFEL puls används för att utforska struktur.
I X-ray imaging experiment utförs på enstaka molekyler, små kluster eller nanokristaller består av några enhet celler, visar perturbative analys att man bör iaktta både en minskning i uppenbara samstämmigheten i den spridda signal8, och tillväxten av en structureless bakgrund signal till följd av electrodynamical bearbetar9. Detta experiment försökte bedöma graden som decoherence på grund av electrodynamical processer, förekommer i pulverform nanokristallin C60 på grund av interaktion med korta XFEL pulser.
I denna artikel tillhandahåller vi Detaljer om experimentella förfarandet där en mycket beställda övergående elektroniska struktur från C60 nanokristaller observeras på grund av interaktion med en XFEL puls1. De diffraktionsmönster som produceras under dessa förhållanden skiljer sig väsentligt från det observerade när samma prov belyses med lägre effekt, men annars identiska XFEL pulser, eller när en synkrotron balken på samma fotonenergin används. Denna skillnad markeras av närvaron av Bragg toppar som inte syns i de två diffraktion profilerna motsvarar lågenergi- och synkrotron diffraktion bilderna. Vi visar vår analys och modell-passande tillvägagångssätt, används för att bekräfta förekomst av en dynamisk elektroniska snedvridning som induceras av XFEL puls-fysikalisk interaktion.
Kalibrering av diffraktion dataramar.
Den. XTC filer (som innehåller data från en komplett springa) innehåller kalibreringsparametrar som definierar den geometriska ordningen av CSPAD moduler (visas i figur 2a) under experimentet. Den rätta ordningen av uppgifter som registrerats på enskilda moduler är avgörande att montera de enskilda diffraktion dataavbildningar bestående av data registreras i varje körning. Vid tidpunkten för experimentet utfördes var platsen för kalibrering filen som innehåller de rätta parametrarna inte automatiskt ställa upp och manuella uträkning krävdes av team för att korrigera problemet. På grund av extra tid utför kalibrering av de data som fanns på fördröjningen mellan ställa en ögonblicksbild kör datamängd och kontrollera framgången av kör via en mörkfält och bakgrunden subtraheras summering av bildrutor i datauppsättningen.
Crystal storlekar.
I några av de inledande XFEL körs ögonblicksbild, stark enda kristall Bragg reflektioner sågs i några av bildrutorna. Detta resulterade från några av C60 provet inte krossas fint nog. Att observera optiska reflektioner från krossade pulver visar att crystal fasetter är för stor (motsvarar våglängden för synligt ljus ~ 400-700 nm). Pulvret bör kontrolleras för dessa reflektioner det förkrossande skedet, och om stark, enda kristall Bragg reflektioner syns i data pulvret måste krossas ytterligare.
Eftersom resultatet av detta experiment inte var förväntat eller planerat för erhölls endast framgångsrika pulver diffraktion datainsamling i C60 urvalet på två extrema intensitet inställningar (10% och 100% flux). Beam tid vid anläggningen är begränsad och därmed någon set-up, beräkningar eller prov bearbetning fel och problem ha en stor inverkan på en experimentell plan. De två mest separerade allmänt incident intensitet punkter var prioriterat och det fanns otillräckliga beam tid tillgänglig för insamlade tillförlitlig statistik för eventuella mellanliggande punkter. Därför har vi inte kunnat experimentellt bedöma den trigger punkten när det gäller XFEL flux då denna övergående fasförändring sker.
Preliminära studier.
Datainsamling pulver diffraktion på den australiska Synchrotron, från samma C60 prov mätt på XFEL. Synkrotroner används rutinmässigt för lämplig XFEL mål26, och i förevarande fall positivt bekräftade att diffraktion data på 10% XFEL intensitet, var förenlig med marken FCC statsstrukturen C60.
Prov och detektor dämpning.
Kalibrering av infallande ljusflödet genom justering av de kisel-dämpare uppströms var av provet viktigt, särskilt eftersom effekten studeras var intensitet beroende. Byggandet av en lämplig aluminium dämpare på detektorn, matchas till infallande ljusflödet var också kritisk.
Att träffa provet vid platsen för balk brännpunkten.
KB fokal platsen vid XFEL var också måste ovillkorligen rapporterade fenomenet, eftersom flödestäthet på prov måste vara tillräcklig för att inducera bildandet av dipoles hela kristallen. Mäta storleken på kratrar skapad av XFEL strålen i en YAG kristall med hjälp av optisk mikroskopi, samt utföra en genomsökning av fina prov längs den optiska axeln och tittar på diffraktion intensiteten användes för att bestämma placeringen av fokalplanet.
I framtiden kommer att utforskas implementeringar av detta arbete ett större antal tillbud stödnivåer samt puls varaktigheter. Detta arbete har konsekvenser för kommande experiment analysera diffraktion data samlas in från nanokristaller vid XFEL källor. Det ger också nya insikter i grundläggande växelverkan av XFELs med materia, framhäva att XFELs har potential att utforska nya fysik inte rymmas inom konventionell kristallografi.
The authors have nothing to disclose.
Författarna erkänner stöd av australiensisk forskning rådet Centre of Excellence i avancerad molekylär Imaging. Delar av denna forskning utfördes på LCLS, en nationell användaren anläggning drivs av Stanford University vägnar US Department of Energy, Office av grundläggande Energivetenskaper. Vi erkänner resor finansieringen av internationella Synchrotron tillgång programmet förvaltas av AS och av den australiska regeringen. Dessutom genomfördes en del av denna forskning på den MX1 och MX2 linjer som, Victoria, Australien. Författare bidrag: B.A. var ansvarig för planering och hantering av alla experimentella aspekter av projektet. C.D., och G.J.W. B.A., H.M.Q., K.A.N. och rad experiment designades av B.A., rad, V.S., och skrev det ursprungliga LCLS förslaget. D.W., rad, R.A.R., A.V.M., E.C. och S.V. utförs simulering arbetet. B.A., rad, C.D., V.S., M.W.M.J., R.A.R., NoName, F.H., G.J.W., S.B., M.M., M.M.S., A.G.P., C.T.P., A.V.M. och K.A.N. samlas in experimentella data på LCLS. S.V., V.A.S. och R.A.D samlat experimentella data på den australiska Synchrotron. C.T.P. och A.V.M. ledde den experimentella datakonvertering och analys. B.A., C.D., Norlén och E.B. var ansvariga för urvalsmetod som innehavaren och testning. R.A.R, B.A., S.V., A.V.M och H.M.Q skrev detta manuskript. Utformningen av elektroniska skador inom samstämmighet teori utförs av H.M.Q. och K.A.N.; Rad kom på idén att tillämpa denna formalism 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 |