Nowe możliwości badawcze

Naukowcom realizującym badania w EuXFEL udostępnionych zostało aktualnie siedem nowoczesnych instrumentów naukowych nazywanych stacjami badawczymi (poniższe informacje zaczerpnięto m.in. ze strony www.xfel.eu, gdzie znaleźć można więcej szczegółów). Każda ze stacji jest dedykowana specyficznej tematyce badawczej i określonemu typowi eksperymentów. Stacje badawcze EuXFEL są na stałe przypisane do trzech źródeł promieniowania XFEL o odmiennych parametrach definiujących trzy linie eksperymentalne (beamlines): SASE1 i SASE2 działające w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego (o energiach fotonów od 3 do 25 keV) oraz SASE 3 przeznaczone do generacji miękkiego promieniowania rentgenowskiego w zakresie od 260 eV do 3000 eV.

Linia eksperymentalna SASE1 zawiera dwie stacje badawcze: SPB/SFX (Single Particles, clusters and Biomolecules/Serial Femtosecond Crystallography) i FXE (Femtosecond X-ray Experiments). Pierwsza z nich przeznaczona jest do badań strukturalnych biocząsteczek, takich jak pojedyncze biomolekuły, kapsydy wirusów, fragmenty komórek i tkanek, lub mikroorganizmy. Ponadto wykonywane są również badania bardziej podstawowych układów, o dużym znaczeniu dla materiałoznawstwa, takich jak nanokryształy i klastry atomowe. Aparatura naukowa dostępna w stacji SPB/SFX pozwala na analizę dwu- i trójwymiarowych struktur pojedynczych cząsteczek w fazie gazowej oraz skondensowanej. Możliwe jest np. rejestrowanie spójnych obrazów dyfrakcyjnych skomplikowanych układów biologicznych, np. makrocząsteczek białek, z wysoką rozdzielczością przestrzenną (poniżej 1 nm) konieczną do uzyskania pełnej informacji strukturalnej, niezbędnej do dokładnego poznania i zrozumienia ich funkcji biologicznej. W drugiej stacji badawczej, FXE, naukowcy skupiają swoją uwagę na czasowo-rozdzielczych badaniach ultraszybkich procesów fizyko-chemicznych zachodzących w fazie ciekłej lub skondensowanej. Tematyka badawcza FXE związana jest z dynamiką reakcji fotochemicznych i przejść fazowych w zakresie femto- i pikosekundowym oraz ze stanami materii charakteryzującymi się krótkimi czasami życia. Jednoczesne użycie laserów optycznego i rentgenowskiego w układzie pompa-sonda (pump-probe) pozwala na rejestrację ultraszybkiej dynamiki zjawisk zachodzących w badanym układzie jako „filmów molekularnych” obrazujących m.in. przebiegające reakcje chemiczne lub przejścia fazowe.

Linia eksperymentalna SASE2 zawiera kolejne dwie stacje badawcze pracujące w zakresie twardego promieniowania X: MID (Materials Imaging and Dynamics) i HED (High Energy Density). Stacja MID jest zoptymalizowana do prowadzenia eksperymentów w dziedzinie fizyki i chemii materiałowej oraz nanotechnologii. Z kolei stacja HED oferuje naukowcom wyjątkowe możliwości wykonywania doświadczeń przy użyciu wiązek rentgenowskich, w celu badania „egzotycznych” stanów materii otrzymywanych w ekstremalnych warunkach ciśnienia, temperatury, pola elektrycznego lub magnetycznego, generowanych przy wykorzystaniu optycznych laserów o bardzo wysokiej energii oraz impulsowych źródeł pól magnetycznych. Wśród możliwych zastosowań naukowych wymienia się m.in. badania nad stanami materii obecnymi w planetach przysłonecznych, nowymi fazami wysokociśnieniowymi materii ważnymi w kontekście geofizyki, plazmami o wysokiej gęstości oraz przejściami fazowymi w złożonych ciałach stałych pod wpływem bardzo silnego pola magnetycznego. Szczególną rolę odgrywają tu procesy nieliniowe i krótko-żyjące stany przejściowe materii, nieuchwytne dla innych narzędzi diagnostycznych.

Ostatnia z istniejących linii eksperymentalnych, SASE3, oferuje możliwości prowadzenia badań z wykorzystaniem miękkiego promieniowania X w trzech stacjach badawczych: SCS (Spectroscopy and Coherent Scattering), SQS (Small Quantum Systems) i SXP (Soft X-ray Port). Pierwsza z nich umożliwia badania struktury elektronowej i atomowej oraz dynamiki procesów zachodzących w nanomateriałach i miękkiej materii skondensowanej oraz układach biologicznych o strukturze nieperiodycznej. Możliwe jest zmierzenie dwu- i trójwymiarowej struktury materii miękkiej, materiałów magnetycznych, nanocząstek oraz kompleksów supramolekularnych i biomolekuł z rozdzielczością przestrzenną rzędu 10 nm. Prowadzone są tu badania dynamiki ultraszybkich procesów magnetyzacji w nanomateriałach oraz struktur elektronowych w złożonych materiałach w fazie stałej. W drugiej stacji badawczej na linii SASE3, SQS, badane są podstawowe mechanizmy oddziaływań atomów, jonów i klastrów atomowych z silnymi polami elektromagnetycznymi. SQS umożliwia naukowcom z dziedzin fizyki atomowej i molekularnej badanie nieliniowych procesów indukowanych przez wiązki promieniowania rentgenowskiego. Głównym atutem stacji badawczej SXP jest czasowo-rozdzielcza rentgenowska spektroskopia fotoelektronowa, która pozwala m.in. na badania dynamiki procesów zachodzących na powierzchniach materiałów i w interfejsach (granicach faz). Umożliwia ona również analizę produktów pośrednich w katalizatorach biologicznych i nieorganicznych, wykorzystywanych do aktywacji wiązań chemicznych za pomocą spektroskopii fluorescencyjnej. Innym ciekawym tematem badań realizowanych na stacji SXP i są pomiary wysoko naładowanych jonów w dziedzinie astrofizyki.