Atomi felbont´ as´ u lek´ epez´ es nemperiodikus rendszerekben
PhD t´ ezisf¨ uzet
Jurek Zolt´ an
Budapesti M˝ uszaki ´ es Gazdas´ agtudom´ anyi Egyetem
´ es
Szil´ ardtestfizikai ´ es Optikai Kutat´ oint´ ezet
t´emavezet˝o:
Faigel Gyula
Szil´ ardtestfizikai ´ es Optikai Kutat´ oint´ ezet
BME – SZFKI
2003
Bevezet´ es
A k´ıs´erleti eszk¨oz¨ok, technik´ak ugr´asszer˝u fejl˝od´ese nagy v´altoz´asokat id´ez el˝o a megl´ev˝o kutat´asi ter¨uletek eredm´enyess´eg´eben, s˝ot, gyakran ´uj ter¨uletek is l´etrej¨onnek. Erre p´elda a r¨ontgentechnika t¨ort´enet´eben az 1970- es ´evekt˝ol sz´eles k¨orben haszn´alt szinkrotron forr´asok: amellett, hogy a tradicion´alis r¨ontgen m´er´esek sokkal jobb min˝os´egben ´es nagys´agrendekkel r¨ovidebb id˝o alatt elv´egezhet˝ok lettek, sz´amos teljesen ´uj m´er´est´ıpus ker¨ult bevezet´esre, mint pl. a m´agneses r¨ontgensz´or´as, nukle´aris rezonanciasz´or´as, stb. A szinkrotron sug´arforr´asok tal´an a legl´atv´anyosabb fejl˝od´est a biol´o- giai szerkezetkutat´asban hozt´ak. Az ut´obbi ´evtizedekben feh´erj´ek t´ızezreinek atomi felbont´as´u szerkezet´et hat´arozt´ak meg.
A szinkrotronok az adott technikai felt´etelek mellet m´ara el´ert´ek az elm´eleti hat´arokat. ´Igy ker¨ultek el˝ot´erbe az 1990-es ´evek elej´et˝ol az ´un. R¨ont- gen Szabad Elektron L´ezerek (X-FEL). Az X-FEL minden eddigin´el r¨ovidebb impulzushossz´u ´es nagyobb intenzit´as´u r¨ontgensug´arz´ast bocs´athat ki. Mivel a nyal´ab param´eterei drasztikusan elt´ernek a szinkrotronok´et´ol, sok ter¨uleten, k¨ozt¨uk a biol´ogiai szerkezetkutat´asban, ism´et jelent˝os fejl˝od´es v´arhat´o.
Ennek hat´as´ara indult 1999-ben indult a Femtosecond Imaging of Biomolecules with X-Rays elnevez´es˝u nemzetk¨ozi projekt. A kutat´as c´elja a szerkezetmeghat´aroz´as jelenlegi korl´atainak fel¨ulvizsg´alata, ´es an- nak megv´alaszol´asa, hogy vajon lehets´eges-e egyetlen ¨on´all´o molekula vagy biol´ogiai rendszer (pl. egyetlen v´ırus) szerkezet´enek atomi felbont´as´u felt´erk´epez´ese. Az MTA Szil´ardtestfizikai ´es Optikai Kutat´oint´ezet R¨ontgen- diffrakci´os csoportja bekapcsol´odott e munk´aba, melynek a dolgozatomban le´ırt eredm´enyek szerves r´eszei.
Tudom´ anyos el˝ ozm´ enyek ´ es c´ elkit˝ uz´ esek
Az egyetlen molekul´ab´ol ´all´o biol´ogiai mint´ak r¨ontgendiffrakci´os m´odszer- rel t¨ort´en˝o szerkezetmeghat´aroz´as´anak alapvet˝o korl´atj´at a sug´arz´as intenz´ıv roncsol´o hat´asa jelenti: hagyom´anyos m´odszereket haszn´alva a c´elt´argy j´oval azel˝ott teljesen elvesz´ıti eredeti atomi szerkezet´et, minthogy elegend˝o infor- m´aci´ot gy˝ujt¨ott¨unk volna r´ola. Egy k´ıs´erletb˝ol kapott
”m´ert k´ep” ez´ert ¨ossze- mosva tartalmazza az eredeti molekula szerkezet´et ´es a m´er´es alatt v´egbe- men˝o szerkezetv´altoz´as k¨ovetkezm´enyeit.
A strukt´ur´ara vonatkoz´o hasznos inform´aci´ot a rugalmas sz´or´asi folya- matok megfigyel´es´eb˝ol lehet nyerni, m´ıg a sug´ark´arosod´as´ert az ener- gia´atad´assal j´ar´o rugalmatlan folyamatok felel˝osek. A biol´ogiai mint´ak- ban nagysz´amban el˝ofordul´o elemek (C,O,N,H) eset´eben a rugalmatlan folyamatok hat´askeresztmetszete t¨obbsz¨or¨ose a rugalmas´enak, azaz sokkal gyakrabban k¨ovetkeznek be. A rugalmatlan folyamatok sor´an a mint´aban el- nyel˝od˝o energia lavinaszer˝uen egym´ast k¨ovet˝o ´ujabb folyamatokon, m´asodla- gos ioniz´aci´okon kereszt¨ul eredm´enyez nagy ter¨uleten v´egbemen˝o k´arosod´ast.
Amennyiben a minta n´eh´any atomb´ol ´all´o klaszter, vagy molekula, a pozit´ıv t¨olt´esre szert tev˝o atomok k¨oz¨otti Coulomb tasz´ıt´as hat´as´ara a rendszer
”fel- robban”.
Ugyan a sug´ark´arosod´as szerkezetmeghat´aroz´ast megnehez´ıt˝o (biol´ogiai mint´akra majdhogynem azt megakad´alyoz´o) hat´as´at t¨obb m´odon (pl. a minta krist´alyos´ıt´as´aval, h˝ut´essel) is megk´ıs´erelt´ek visszaszor´ıtani, igazi ki´utnak a sug´arforr´asok teljes´ıtm´eny´enek n¨ovel´ese t˝unik, ami lehet˝os´eget adhat a lavi- nahat´asok kifejl˝od´ese el˝otti inform´aci´ogy˝ujt´esre.
A r¨ontgentechnik´aban a XXI. sz´azad els˝o ´att¨or´es´enek a r¨ont- gen szabadelektron l´ezerek ´ıg´erkeznek. Mind sug´arz´asuk intenzit´as´aban (∼1022W/cm2, ∼ 1012foton/impulzus), mind az impulzusok r¨ovids´eg´eben (.100 fs) messze fel¨ulm´ulj´ak a szinkrotronokat, ami m´ar megfelel˝ov´e teheti egyedi molekul´ak szerkezetmeghat´aroz´as´ahoz. Napjainkban m´ar ¨uzemelnek
az els˝o k´ıs´erleti X-FEL-ek (Tesla Test Facility, DESY, Hamburg), melyek sug´arz´asa az ultraibolya tartom´anyba esik. B´ar ezek a berendez´esek atomi szerkezetmeghat´aroz´asra m´eg nem alkalmazhat´ok, de a m˝uk¨od´es¨ukh¨oz sz¨uk- s´eges technika ´es a X-FEL-ben v´egbemen˝o fizikai folyamatok m´ar k´ıs´erletileg tanulm´anyozhat´ok rajtuk.
A egyedi molekul´ak r¨ontgen szabadelektron l´ezerrel t¨ort´en˝o szer- kezetmeghat´aroz´as´anak ¨otlete R. Neutze ´es szerz˝ot´arsai munk´aj´aban mer¨ul fel el˝osz¨or [Nature, 406, 752]. Munk´ajukban a minta m´er´es alatti su- g´ark´arosod´as´anak dinamik´aj´at az elektronok elhagy´as´aval vizsg´alt´ak, a szer- kezetmeghat´aroz´as lehet˝os´eg´enek elemz´es´et pedig az id˝oben sz´etrobban´o molekul´an keletkez˝o sz´or´ask´epek ¨osszehasonl´ıt´as´aval v´egezt´ek.
Becsl´eseink azt mutatt´ak, hogy az elektronok szerepe jelent˝os a rendszer dinamik´aj´anak kialakul´as´aban. ´Eppen ez´ert c´elom az volt, hogy a molekul´ak
´es atomklaszterek sug´ark´arosod´as´anak vizsg´alat´at az ioniz´aci´os folyamatok sor´an leszak´ıtott elektronok figyelembe v´etel´evel v´egezzem el. Ez egy olyan modell megalkot´as´at ig´enyli, amely tartalmazza az atomok ´es elektronok egym´as k¨ozti ´es az elektrom´agneses t´errel val´o k¨olcs¨onhat´asainak legl´enyege- sebb tagjait, de mindamellett sz´am´ıt´og´epes adapt´aci´oja elegend˝oen gyors k´o- dot eredm´enyez ahhoz, hogy nagyobb, 1000–10000 atomot tartalmaz´o rend- szerek is tanulm´anyozhat´ok legyenek.
A sug´ark´arosod´as dinamik´aj´anak le´ır´as´at k¨ovet˝oen c´elom a szer- kezetmeghat´aroz´asra vonatkoz´o k¨ovetkeztet´esek megfogalmaz´asa volt. Ezt egyr´eszt az atomok geometriai elmozdul´asaib´ol, m´asr´eszt a folyamatosan t´agul´o modellrendszeren rugalmasan sz´or´od´o fotonok ´altal l´etrehozott sz´or´ask´epekb˝ol, illetve az azok alapj´an elv´egzett rekonstrukci´ob´ol k´ıv´antam megtenni.
T´ ezisek
1. Kidolgoztam egy modellt az intenz´ıv r¨ontgenl´ezer ter´eben l´ev˝o atom- klaszterek dinamik´aj´anak le´ır´as´ara [2]. A modell tartalmazza a legl´enyegesebb k¨olcs¨onhat´asokat: a Coulomb k¨olcs¨onhat´ast, az atomok k¨oz¨otti k¨ot´est, a fotoeffektust, az ionok Auger ´es fluoreszcens relax´a- ci´oj´at, az elektronok ´altal okozott m´asodlagos ioniz´aci´ot. Elk´esz´ıtet- tem a modell alapj´an egy sz´am´ıt´og´epes k´odot, amellyel szimul´aci´ok v´egezhet˝ok atomklaszterek r¨ontgenimpulzus ´altal induk´alt Coulomb robban´as´anak vizsg´alat´ara.
2. ¨Osszehasonl´ıtottam az ´altalam alkalmazott modell (III.) eredm´enyeit k´et olyan modell´evel (I. ´es II.), melyek egyes ´allom´asait k´epezt´ek a v´eg- leges modell¨unk kialak´ıt´as´anak [2]. Az els˝o ezek k¨oz¨ul az atomok k´emiai k¨ot´eseihez tartoz´o k¨olcs¨onhat´asokat, a fotoeffektust ´es a relax´aci´ot tar- talmazta (I.; ez felel meg az irodalomban R. Neutze ´altal vizsg´alt k´ep- nek). A m´asodik m´ar figyelembe veszi az elektronok t¨olt´es´et ´es Coulomb k¨olcs¨onhat´asukat, de a m´asodlagos ioniz´aci´okat nem tartalmazza (II.).
Megmutattam, hogy az I. ´es II. modell eset´en l´enyegesen alulbecs¨ult az ioniz´aci´ok teljes sz´am´anak n¨oveked´esi sebess´ege, valamint t´ulbecs¨ult a klaszter teljes t¨olt´es´enek ´es m´eret´enek n¨oveked´ese.
3. Elemeztem a Coulomb robban´as tulajdons´agait a r´eszecskesz´am ´es az alkalmazott r¨ontgenimpulzus hossz´anak f¨uggv´eny´eben [2]. Megmutat- tam, hogy nagyobb klaszterm´eret eset´en a klaszter egy atomra jut´o t¨olt´ese kisebb lesz az atomok k¨oz¨ott maradt lass´u elektronok nagyobb relat´ıv sz´ama miatt. Ennek k¨ovetkezm´enyek´ent elt´er´es mutatkozott a klaszterek m´eret´enek n¨oveked´esi sebess´eg´eben is. Megmutattam, hogy adott r´eszecskesz´am´u rendszerek eset´en hosszabb impulzus alkalmaz´asa mellett a klaszter egy atomra jut´o t¨olt´ese nagyobb. Ez a jelens´eg k¨ul¨on¨osen kisebb rendszerekben tapasztalhat´o.
4. Megvizsg´altam a klaszter elektronjainak ´es a klaszterb˝ol t´avoz´o fotoelektronoknak az energiaeloszl´as´at k¨ul¨onb¨oz˝o id˝opontokban [2].
Az atomok k¨ornyezet´eben maradt elektronok a Coulomb robban´as folyam´an er˝oteljesen leh˝ulnek. A fotoelektronok spektruma az id˝o el˝ore- haladt´aval egyre sz´elesedik, v´egleges alakj´at — 50 fs-os impulzust alkal- mazva — +25 fs-ra ´eri el.
5. Kimutattam, hogy a klaszterben t¨olt´esszepar´aci´o megy v´egbe, melynek eredm´enyek´epp a klaszter egy csaknem semleges magra ´es egy pozit´ıv h´ejra oszthat´o fel [2]. Megvizsg´altam a k´et tartom´any hat´ar´anak id˝of¨ug- g´es´et. A hat´ar t´agul´asi sebess´eg´ere 1500 atomos klaszter eset´en 1.1 ˚A/fs ad´odott. R´amutattam a t¨olt´esszepar´aci´o ´es az ionok energiaspektruma k¨oz¨otti szoros kapcsolatra.
6. Konzervat´ıv becsl´est adtam arra, hogy egy r¨ontgen szabadelektron l´e- zerrel elv´egzett k´ıs´erletben az impulzus mekkora r´esz´et haszn´alhatjuk fel olyan sz´or´ask´ep m´er´es´ehez, melyb˝ol meghat´arozhat´o a szerkezetet.
Szimul´aci´oim alapj´an megmutattam, hogy 10 fs f´el´ert´eksz´eless´eg˝u im- pulzus eset´en a fotonoknak az impulzus elej´en be´erkez˝o kb. 10%-a, 50 fs- os eset´en mintegy 3%-a haszn´alhat´o fel [1,2]. Modellsz´amol´ast v´egeztem egy 10 fs-os impulzusban felrobban´o, 200 atomos klaszter szerkezet´enek rekonstru´al´as´ara. Meg´allap´ıtottam, hogy a csak a dinamik´an alapul´o 10% hasznos ar´any jelent˝osen javul, ha a lek´epez´es ´es rekonstrukci´o tulajdons´agait is figyelembe vessz¨uk. ´Igy egy sokkal kedvez˝obb 25%- os hat´art kaptam [3]. Teh´at az atomi szerkezet az egy impulzusba es˝o teljes fotonsz´am 25%-´anak be´erkez´es´eig alkotott sz´or´ask´epb˝ol m´eg sik- eresen rekonstru´alhat´o. Tov´abbi el˝orel´ep´es v´arhat´o holografikus m´od- szerek bevezet´es´et˝ol [4], melyeknek r´eszletesebb vizsg´alat´at a doktori munka folytat´asak´ent tervezem.
A dokrori munk´ ahoz kapcsol´ od´ o publik´ aci´ ok
[1] G. Faigel, Z. Jurek, M. Tegze. The possibility of atom cluster imaging by free electron X-ray lasers, Acta Cryst., A58 (Supplement), C262 (2002) [2] Z. Jurek, G. Faigel, M. Tegze. Dynamics in a cluster under the influence
of intense femtosecond hard x-ray pulses (bek¨uldveThe Eur. Phys. J. B;
arXiv:physics/0306102) .
[3] Z. Jurek, G. Oszl´anyi, G. Faigel. Imaging atom-clusters by hard x-ray free electron lasers (bek¨uldveEurophys. Lett.; arXiv:cond-mat/0309083).
[4] G. Faigel, M Tegze, G. Bortel, Z. Jurek, S. Marchesini, M. Be- lakhovskyo, A. Simionovici. Holographic Methods as Local Probes of the Atomic Order in Solids, (elfogadva Spectrochimica Acta Part B; arXiv:cond-mat/0308375)
A doktori munk´ ahoz kapcsol´ od´ o konferencia poszterek ´ es el˝ oad´ asok
[5] G. Faigel, Z. Jurek, Size dependence of X-ray induced Coulomb explo- sion of atom clusters, X-FEL Workshop ”Life Sciences”, DESY, Hamburg, 2000. Short talk.
[6] G. Faigel, Z. Jurek, G. Oszl´anyi, M. Tegze. Atom cluster imaging by free electron x-ray lasers, From Solid State To BioPhysics International Conference, Croatia, 2002. Invited talk.
[7] Z. Jurek, G. Faigel, M. Tegze. The possibility of atom cluster imag- ing by free electron X-ray lasers, EPS-12: General Conference ”Trends in Physics”, Budapest, 2002. Poster.
[8] Z. Jurek, G. Faigel, M. Tegze. Dynamics of atom clusters in a short and intense hard x-ray pulse, Ultrafast X-Ray Science Corsica, France, 2003.
Short talk.
[9] G. Faigel, Z. Jurek, G. Oszlanyi. Imaging of atom clusters by a short and intense hard x-ray pulse, Ultrafast X-Ray Science Corsica, France, 2003.
Poster.
[10] G. Faigel, Z. Jurek, G. Oszl´anyi, M. Tegze. Imaging of atom clusters by free electron X-ray lasers , 21. ECM, Durban, South Africa, 2003. Poster.
Egy´ eb publik´ aci´ ok
[11] L. Gr´an´asy, Z. Jurek, D. W. Oxtoby. Analytical density functional theory of homogeneous vapor condensation. Phys. Rev. E, 62, 7486 (2000).
[12] L. Gr´an´asy, Z. Jurek, D. W. Oxtoby. Semiempirical Cahn-Hilliard theory of vapor condensation with triple-parabolic free energy, Nucleation and Atmospheric Aerosols 2000, AIP Conference proceedings, vol. 534, 245 (2000).
[13] L. Gr´an´asy, T Pusztai, Z. Jurek, M. Conti, B. Kvamme. Phase field theory of crystal nucleation in hard sphere liquid (J. Chem. Phys. k¨ozl´esre elfogadva; arXiv:cond-mat/0306527)
K¨ osz¨ onetnyilv´ an´ıt´ as
K¨osz¨onettel tartozom t´emavezet˝omnek, Faigel Gyul´anak, akire b´ar- mikor sz´am´ıthattam doktori munk´am sor´an, mind tudom´anyos, mind egy´eb k´erd´esekben. ´Utmutat´asa ´es a vele folytatott diszkusszi´ok nemcsak a PhD munk´ahoz ny´ujtottak seg´ıts´eget, hanem ´altaluk megismerhettem ´es tanul- hattam a l´enyegret¨or˝o, egyszer˝u, ´atl´athat´o kutat´oi gondolkod´asm´odot.
K¨osz¨onet illeti Tegze Mikl´ost, aki sokat seg´ıtett modellem kialak´ıt´as´aban
´es a szimul´aci´os eredm´enyek ´ertelmez´es´eben.
K¨osz¨on¨om Oszl´anyi G´abornak a rekonstrukci´os m´odszerek megis- mer´es´eben, meg´ert´es´eben, ´es a rekonstrukci´o aktu´alis megval´os´ıt´as´aban ny´uj- tott nagy seg´ıts´eg´et.
K¨osz¨on¨om Gr´an´asy L´aszl´onak, hogy jelent˝os sz´amol´asig´eny˝u szimul´a- ci´oimhoz el´erhet˝ov´e tette sz´amomra nagy kapacit´as´u sz´am´ıt´og´ep klaszter´et.
K¨osz¨onet illeti Bortel G´abort ´es Pusztai Tam´ast, akikhez mind tu- dom´anyos, mind sz´am´ıt´astechnikai probl´em´aimmal b´armikor fordulhattam.
K¨osz¨onet illeti Szab´o Gy¨orgy¨ot ´es Varr´o S´andort az SZFKI-ban megtar- tott h´azi v´ed´esem gondos b´ır´alat´a´ert, amelyekkel hozz´aj´arultak a dolgozatban foglaltak vil´agosabb megfogalmaz´as´ahoz.
V´eg¨ul, de nem utols´o sorban, k¨osz¨on¨om feles´egemnek, ´Agnesnek, ´es kisl´anyomnak, Rebek´anak, hogy szeretet¨ukkel nyugodt ´es biztos h´atteret biz- tos´ıtottak doktori munk´amhoz.
