Ved hjælp af en XFEL – LCLS i Stanford, USA – var Andrey Vilesov og kolleger i 2014 de første til direkte at afbillede strukturen af helium-nanodråber og kvantehvirvlerne inde i dem. Tilstedeværelsen af kvantehvirvler i heliumdråberne var et endegyldigt bevis på, at dråberne er superflydende.

Ud over deres evne til at producere billeder af isolerede molekyler og nanopartikler er XFEL yderst nyttige værktøjer til at studere fotokemiske processer med en meget høj tidsopløsning (<1 fs = 10-15 s). På denne måde kan man observere de hurtigste processer, der finder sted inde i molekyler, nemlig bevægelsen af de enkelte atomer, som molekylet består af. Det gør det muligt at følge, hvordan molekyler vibrerer eller falder fra hinanden og endda også bevægelsen af elektroner, når en kemisk binding dannes eller brydes. I såkaldte pumpe-probe-målinger initierer en første laserpuls (pumpe) en reaktion ved for eksempel at excitere et molekyle, og en anden laserpuls (probe) undersøger reaktionen i molekylet efter excitationen ved yderligere at excitere eller ionisere det. Gentagelse af denne sekvens med forskellige forsinkelser mellem pumpe- og probelaserpulsen visualiserer derefter systemets tidsudvikling på samme måde som et stroboskop.

Nanolaboratorier til spektroskopi og kold kemi

I dag bruger de fleste forskere som nævnt helium-nanodråber som små “reagensglas” til at studere fremmede molekyler eller nanopartikler indlejret i dem. De indlejrede molekylers rotation og vibration er næsten uforstyrret, som om molekylerne bevæger sig i frit rum, mens den lave temperatur, som molekylerne afkøles til, gør det meget lettere at forstå deres spektre. Desuden bruges helium-nanodråber som nanolaboratorier til at undersøge kolde kemiske reaktioner af atomer og molekyler indlejret i dem. På en måde genskaber helium-nanodråberne de forhold, der hersker i den øvre atmosfære og i det ydre rum, hvor kemien påvirker vores klima og udviklingen af stjerner og planeter.

Helium-nanodråber kan endda hjælpe med at nå det store mål med røntgen-frielektronlasere om at visualisere strukturen af biologisk relevante molekyler med atomar opløsning ved røntgenstråling-billeddannelse.

Henrik Stapelfeldt og hans gruppe ved Institut for Kemi på Aarhus Universitet har for nylig vist, at molekyler, når de er indlejret i en helium-nanodråbe, kan orienteres i rummet i en bestemt retning ved hjælp af skræddersyede laserpulser. Molekylet bevarer sin orientering i nogen tid efter, at pulsen er passeret, så man med røntgen-laserpulsen kan nå at tage et billede af molekylet. Dette er en stor fordel, da molekyler normalvis peger i alle retninger, når de er fritflyvende. Derfor skal der tages et stort antal røntgenbilleder gentagne gange for at afsløre den faktiske struktur af molekylet. Ved at retningsbestemme molekylet i en helium-nanodråbe vil man kunne forstå molekylets struktur ud fra færre billeder, hvilket vil gøre eksperimentet markant nemmere. Når et molekyle er indkapslet i en heliumdråbe, kan heliumskallen desuden fungere som en dæmper, der forhindrer den hurtige eksplosion af molekylet, når det først er ramt af røntgenpulsen. På denne måde forlænges eksponeringstiden effektivt, og billedkvaliteten øges. Derudover kan røntgenfotoner, der afbøjes af heliumskallen, hjælpe med at få mere information om den tredimensionelle struktur af molekylet, og altså ikke kun dem, der afbøjes på det faktiske molekyle i heliumdråben. Et lignende trick bruges i holografi, som gør det muligt at lave tredimensionelle billeder af objekter.

Nanobobler

Helium er det mest inerte kemiske stof, man finder i naturen, og det er fuldstændigt gennemsigtigt for infrarødt og synligt lys. Strålingen, som dannes af en XFEL, har dog nok energi til at excitere eller ionisere helium-atomerne i dråben, hvilket betyder, at dråben ikke længere er gennemsigtig.

I vores forskning studerer vi mekanismerne i helium-nanodråberne samt de indlejrede atomer og molekyler, efter at dråben er blevet exciteret eller ioniseret. Vi søgte blandt andet svaret på, om helium-nano­dråberne fortsat kan bruges som inert reagensglas under forhold, hvor det indsendte lys har nok energi til at interagere direkte med dråben. Svaret er “nej” og så alligevel “ja”.
Kort fortalt bliver helium-dråben meget reaktiv, når den exciteres, så den er på ingen måde inert i forhold til de indlejrede partikler. Men efter utrolig kort tid vil dråben skille sig af med den ekstra energi. Vi fandt ud af dette ved at bestråle dråberne med energiske pumpe- og probe-lyspulser ved frielektronlaseren FERMI i Trieste i Italien. Resultat var, at når der sker en excitation af nanodråben med en XUV-laserpuls, falder tingene lynhurtigt (efter mindre end et picosekund) igen på plads via en tretrinsproces:

Først lokaliseres den elektroniske excitation på et atom i dråben og henfalder til den laveste exciterede tilstand. Derefter dannes en nanometer-stor boble omkring det exciterede atom. Til sidst søger boblen imod dråbens overflade, hvor den springer og afgiver den tilførte energi i form at et enkelt exciteret heliumatom. Herefter er alt ved det gamle i selve nanodråben.

Dette system bliver endnu mere komplekst, når to eller flere atomer exciteres i samme dråbe. Dette kan let gøres ved en XFEL ved at skrue op for lyspulsintensiteten. Hvad vi observerede i eksperimenterne og i ledsagende modelberegninger er, at der for et par exciterede atomer dannes en boble omkring hvert af atomerne. Boblerne smelter herefter sammen, hvormed atomerne skubbes mod hinanden. Exciterede atomer, som kommer tæt på hinanden, kan udveksle deres energi og på denne måde henfalde til et atom i grundtilstanden og et ioniseret atom og en elektron, der begge udsendes. Denne type reaktion, som er en vigtig proces, når stof vekselvirker med energisk stråling, kaldes Interatomic Coulombic decay. Forståelse af denne form for henfaldsproces, især i forbindelse med bobledannelsen og et simpelt system som heliumdråber, kan hjælpe til forståelse af energi- og ladningsudveksling i for eksempel proteiner i biologiske systemer eller udvikling af urenheder i metaller i smeltet tilstand.