Der LCLS-Röntgenlaser hat es Physikern ermöglicht, fast alle Elektronen eines einzelnen Atoms in einem Molekül zu "katapultieren" und es vorübergehend in ein Miniaturanalogon eines Schwarzen Lochs umzuwandeln, das mit der Kraft seines kosmischen Gegenstücks Elektronen an sich zieht, wie in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
© RIA Novosti / Alina Polyanina // DESY / Wissenschaftskommunikationslabor
„Die Kraft, mit der die Elektronen in diesem Fall vom Iodatom angezogen wurden, war viel größer als die, die beispielsweise von einem Schwarzen Loch mit einer Masse von zehn Sonnen erzeugt würde. Im Prinzip kann das Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs mit Sternmasse nicht auf vergleichbare Weise auf ein Elektron einwirken, selbst wenn es sehr nahe am Ereignishorizont liegt “, sagt Robin Santra vom Deutschen Synchrotron-Zentrum DESY.
Santra und seine Kollegen haben ein ähnliches Miniatur-Schwarzes Loch geschaffen, indem sie den gesamten Strahl des LCLS-Röntgenlasers, der derzeit der leistungsstärkste seiner Art auf der Welt ist, auf einen Punkt von nur 100 Nanometern fokussiert haben. Dies entspricht ungefähr der Länge eines großen organischen Moleküls und ist mehrere hundert Mal kleiner als die Strahlbreite, die üblicherweise in Experimenten mit solchen Emittern verwendet wird.
Dank dessen erreichte die Leistung des Laserstrahls zehn Milliarden Gigawatt pro Quadratzentimeter und näherte sich dem Punkt, an dem sich ultrarelativistische Effekte zu manifestieren beginnen und Licht sich spontan in Materie und Antimaterie verwandelt.
Die Kollision eines solchen Impulses mit einzelnen Xenon- und Jodatomen, wie die ersten Experimente von Physikern gezeigt haben, führt dazu, dass sie praktisch alle ihre Elektronen verlieren und einen fantastisch hohen Oxidationszustand von +48 oder +47 erreichen, was zu einer rekordhohen positiven Ladung führt.
Die Wissenschaftler beschlossen zu testen, wie diese Ladung das Verhalten anderer Moleküle und Atome beeinflussen kann, indem sie Jod mit Methan- und Ethanmolekülen kombinieren, die für Röntgenstrahlen "transparent" sind und auf solche Strahlen nicht reagieren.
Die Ergebnisse dieser Experimente erwiesen sich als fantastisch - die Bestrahlung solcher Moleküle mit einem Laser für nur 30 Nanosekunden führte dazu, dass sich Jodatome für Momente, nachdem sie von einem Röntgenstrahl durchbohrt wurden, in eine Art elektrisches Schwarzes Loch verwandelten.
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Diese Atome haben entgegen den Erwartungen der Wissenschaftler viel mehr Elektronen verloren - nicht 46 oder 47, sondern 53 oder 54 Teilchen. Der Prozess hörte hier nicht auf, und die Jodatome begannen, wie supermassereiche Schwarze Löcher, Elektronen aus anderen Teilen des Moleküls auf sich zu ziehen, sie zu beschleunigen und in Form von Strahlen "auszuspucken", die den Emissionen ihrer kosmischen "Cousins" ähnlich sind.
Infolgedessen zerfiel das gesamte Iodmethanmolekül praktisch augenblicklich und lebte nur eine Billionstelsekunde nach dem Beginn des Laserfeuers. Ähnliches kann, wie Wissenschaftler glauben, auftreten, wenn lebende Organismen mit Röntgenstrahlen in Kontakt kommen. Wenn wir diesen Prozess untersuchen, können wir besser verstehen, wie der durch Strahlung verursachte Schaden verringert oder neutralisiert werden kann.
„Iodmethan ist ein relativ einfaches Molekül, das uns hilft zu verstehen, was mit organischen Molekülen passiert, wenn sie durch Strahlung beschädigt werden. Wir glauben, dass diese Reaktion in Iodethan und anderen komplexen Molekülen, in denen Iod bis zu 60 Elektronen ausstoßen kann, noch heftiger abläuft, aber wir wissen noch nicht, wie es beschrieben werden kann. Die Lösung dieses Problems ist unser nächstes Ziel “, schließt Artem Rudenko von der University of Kansas (USA), dem Erstautor des Artikels.
