Det forrige århundrede var en triumf for reduktionismen – en videnskabelig og filosofisk tilgang, der forsøger at forklare komplekse fænomener ved at bryde dem ned i fundamentale bestanddele: fra makroskopiske objekter til molekyler, fra molekyler til atomer, dernæst protoner og neutroner, så elektroner, kvarker og måske endda vibrerende strenge. Samtidig blev naturens fundamentale kræfter udtrykt i elektromagnetismen, tyngdekraften samt den stærke og svage vekselvirkning. En stræben, der afspejlede et ønske om at afsløre en enkelt elegant lov – en universel regel, der kan forklare alt.

På den anden side viste der sig kompleksitet overalt. Så snart vi ser udover det enkelte atom, er virkelige materialer blevet stadig mere komplicerede i takt med, at vores viden er øget. Selv i “perfekte” krystaller, hvor atomer gentager sig som enheds-celler i et ordnet mønster, findes der altid defekter og uorden. I sit berømte essay i tidsskriftet Science “More Is Different” fra 1972 bemærkede den amerikanske fysiker Philip Anderson – ofte betragtet som den mest indflydelsesrige fysiker indenfor faststoffysikken i det 20. århundrede – at når mange partikler samles, opstår nye og uventede fysiske love. 

Disse såkaldt emergente love er i overensstemmelse med den fundamentale fysik, men de kan ikke udledes direkte fra denne. Superledning er et slående eksempel: Den kollektive dans af elektroner skaber et fænomen, som ingen enkeltpartikel-lov kan forudsige. Anderson bemærkede, at “det dybeste problem i faststoffysikken i det 21. århundrede er problemet med uordnede og komplekse systemer.”

Glas og væsker er komplekse systemer

Blandt de mange eksempler på komplekse stoffer skiller glas og væsker sig ud. Atomerne i glas og væsker er ikke ordnet som i krystaller, men viser i stedet uordnede mønstre. I videnskaben refererer “glas” ikke kun til gennemsigtige vinduesglas eller smartphone-skærme, men også bredt til mange typer amorfe, faste stoffer som metalliske glas, polymerer, chalcogenidglas, organiske systemer og endda amorf is (som menes at være den mest almindelige form for vand i universet).

At beskrive disse uordnede systemer er en skræmmende opgave. I modsætning til i krystallinske materialer findes der ingen strukturel enhed, som atomer gentager, når de udfylder pladsen. På et område på størrelse med en æggeblomme findes der således cirka 10²³ atomer, der tilsyneladende er tilfældigt arrangeret. For at gøre det endnu værre, bevæger disse atomer sig hele tiden. Afhængigt af temperaturen kan atomer bevæge sig så langsomt, at deres positioner næppe ændrer sig i millioner af år ved lave temperaturer; eller de kan bevæge sig næsten lige så hurtigt som lydens hastighed (cirka 200 m/s) ved høje temperaturer nær smeltepunktet.

Hvis vi skal forstå sådanne systemer, må vi derfor som forskere kunne måle, hvordan atomerne er arrangeret i rum og tid på atomart niveau. 

For at optage en ægte atomfilm har vi brug for et særligt kamera med en usædvanlig hurtig “lukker”. To krav er afgørende:
- Rumlig opløsning fin nok til at se de enkelte atomer.
- Eksponeringstider korte nok til at tage to på hinanden følgende billeder med mindre end 10^-12 sekunders mellemrum, så atomernes bevægelse fanges i realtid.

Først skal kameraet kunne “se” atomerne – altså opnå en opløsning fin nok til at skelne dem. Atomer er utroligt små, kun omkring 2 ångstrøm i diameter (1 ångstrøm = 10^-10 meter), svarende til omtrent en halvtredstusindedel af tykkelsen af et menneskehår. Takket være opdagelsen af røntgenstråler, har vi et værktøj, der i princippet gør det muligt at se atomer. 

Røntgenstråler er en særlig type lys, som har en bølgelængde på samme skala som atomer – dvs. som kan måles i ångstrøm. Det gør røntgenstråler ideelle til at afsløre atomstrukturer. Når røntgenstråler vekselvirker med stof, skaber de diffraktionsbilleder i det, fysikere kalder det reciprokke rum (som i en slags mærkeligt spejl). Fysikere som William Lawrence Bragg og Max von Laue udviklede geniale matematiske metoder til at oversætte disse diffraktionsbilleder tilbage til, hvordan atomerne er arrangeret i det virkelige rum. Denne tilgang har været spektakulært succesfuld for krystaller, herunder løsningen af DNA’s helixstruktur.

For uordnede materialer er opgaven imidlertid langt mere kompliceret. Almindelig røntgendiffraktion mister faktisk noget information, fordi røntgenbølgerne ikke er helt i takt. I ordnede krystaller betyder dette ikke meget, men i uordnede materialer som glas og væsker bliver det et grundlæggende problem. For at bevare informationen om den uordnede struktur har vi brug for perfekte røntgenbølger, der er helt i takt. Forskere kalder dette “kohærente røntgenstråler”, hvor bølgerne er i fase med hinanden. Det betyder, at bølgetoppene og bølgedalene falder sammen i tid og rum, og at de svinger med samme frekvens og i samme retning. Med sådanne røntgenstråler kan man opnå billeder, der, selvom de ligner tilfældige kornede prikker (se figuren herunder), faktisk er fingeraftryk af atompositioner i det virkelige rum. Kort sagt er kohærente røntgenstråler den nøgleingrediens, der gør det muligt at bygge et kamera, der kan afsløre de skjulte atomarrangementer i uordnede materialer.

For nylig har vi demonstreret, at de to kritiske krav til at optage en ægte atomar film nu kan opfyldes. Vores kamera brugte røntgenlyskilden ved XFEL-faciliteten LCLS, som ligger i Bay Area nær Stanford University – en gigantisk maskine med 100 meter lange tunneler til at accelerere elektroner til næsten lysets hastighed for at generere næsten perfekt kohærente tvillinge-pulser af røntgenstråler, pakket med et enormt antal fotoner. Vi har udviklet en metode til at overvåge præcisionen af tvillingepulserne samtidig med, at vi måler atom-positioner i uordnede materialer. 

På grund af de uordnede strukturer er signalerne fra atompositionerne svage. Af denne grund skal de detektorer, der opfanger signalerne, være meget følsomme. De detektorer, vi brugte, var så følsomme, at de også opfangede kosmiske stråler – energirige partikler fra rummet – mens vi målte materialernes atompositioner. Selv med så svage signaler kunne vi ved hjælp af matematiske metoder udtrække atompositionerne i rum og tid.

Vores analyse af mere end en million billeder viser, at selv i uordnede strukturer korrelerer atomer stadig med hinanden lokalt over korte afstande (nogle få atomafstande). Disse lokale atomordener fluktuerer mellem høj og lav i et meget hurtigt tempo. Vi har således set, hvordan den lokale orden kunne forsvinde på mindre end 10^-12 sekund.

Fremtiden er lys

De nuværende atom-film af uordnede strukturer er stadig begrænset til blot nogle få billeder. De er begrænset af, hvor mange pulse-tvillinger de nuværende XFEL-kilder kan levere hvert sekund. Alligevel markerer denne præstation et gennembrud for eksperimentelle værktøjer, der beviser, hvordan vi kan bruge verdens mest kraftfulde røntgenlasere til at få et glimt af atomernes bevægelse. 

I øjeblikket findes der ingen omfattende teori, der pålideligt kan beskrive eller forudsige, hvordan atomer udvikler sig i uordnede systemer. Det er blandt andet derfor, at næste generation af røntgenfaciliteter – såsom LCLS-II-HE i USA og European XFEL – er så spændende. Disse maskiner vil levere langt flere røntgenpulser, hurtigere dataindsamling og endnu mere følsomme detektorer. Tilsammen vil de åbne op for det fulde potentiale af denne teknik og give forskere mulighed for at følge atomernes bevægelse i båd e tid og rum med hidtil uset detaljerigdom.

Når disse eksperimentelle datasæt bliver tilgængelige, vil vi kunne bruge kunstig intelligens til at opdage skjulte mønstre i de tilsyneladende kaotiske omarrangementer af atomer. Nye teoretiske rammer kan derefter opstå, ligesom Braggs’ krystallografi revolutionerede vores forståelse af ordnede krystallinske materialer for mere end 120 år siden. 

Sådanne fremskridt vil være afgørende for at opdage og designe de avancerede materialer, vi har brug for i det 21. århundrede – fra bæredygtig energilagring og effektiv computerhardware til nye lægemidler og genanvendelige plastmaterialer. ♦