laser

Een moleculair zwart gat slorpt alle elktronen op en spuwt ze uit. Bron: SLAC

‘Moleculair zwart gat’ gecreëerd met extreem krachtige röntgenlaser

Een onderzoeksgroep van SLAC (Stanford Universiteit) slaagde er in om een ‘moleculair zwart gat’ te creëren in een klein molecuul. Goed nieuws dus voor medicijnontwikkelaars en andere chemici, en hiermee ook ons.

Stel je voor: alle zonlicht dat de aarde bereikt, geconcentreerd in een gebiedje ter grootte van een peperkorrel. Dit is de intensiteit die gedurende 30 femtoseconden bereikt werd met de röntgenlaser die voor dit experiment ingezet werd, de Coherent X-ray Imaging instrument, CXI. De laserbundel van de CXI werd geconcentreerd in een gebiedje met een doorsnede van 300 nanometer.

De gebruikte harde röntgenstraling heeft een energie per foton van 8300 elektronvolt. Ter vergelijking: licht heeft minder dan 2 elektronvolt energie per foton. 8300 elektronvolt is de ionisatie-energie van de twee elektronen in de (binnenste) K-schil van een jodiumatoom, precies voldoende om deze selectief weg te slingeren. .

Deze bundel werd afgevuurd op xenonatomen en van jodiumatomen die onderdeel uitmaakten van een klein molecuul, methyljodide (CH3I). Zoals verwacht, werden de elektronen van de binnenste atoomschillen totaal gestript. Het atoom werd als het ware uitgehold. Daardoor ontstond er een enorme zuigkracht van de positief geladen atoomkern naar de rest van de elektronen in het atoom. Omdat dit binnen femtoseconden gebeurt, werden ook deze elektronen door de laserbundel weggestript tot het molecuul, dat bijna alleen nog uit positief geladen atoomkernen bestond, explodeerde.

Een moleculair zwart gat slorpt alle elktronen op en spuwt ze uit. Bron: SLAC
Een moleculair zwart gat slorpt alle elektronen op en spuwt ze uit. Bron: SLAC

Onverwacht was dat er minimaal 54 elektronen werden weggeslingerd uit het jodiumatoom. Het atoomnummer van jodium is 53. Dit betekent dat ook elektronen uit het nabijgelegen koolstofatoom, en mogelijk ook de waterstofatomen betrokken werden in de cascade. Dit had dus veel weg van een moleculair zwart gat, waarbij de positief geladen atoomkern van het jodiumatoom alle elektronen in het molecuul aantrok. Een opmerkelijk technisch staaltje, waarmee het research team het befaamde wetenschappelijke tijdschrift Nature wist te halen.

Sloopwerk is natuurlijk altijd een interessant doel op zich, maar de voornaamste wetenschappelijk waardevolle uitkomst is hier dat het measured pulse model het juiste blijkt te zijn, niet het concurrerende Gaussiaanse pulsmodel. De voorspellingen van het measured pulse-model bleken tot op 2% nauwkeurig. Goed nieuws voor bijvoorbeeld medicijnontwikkelaars, die nu veel nauwkeuriger het gedrag van moleculen kunnen voorspellen. Ook dient dit experiment als voorbereidend werk voor een belangrijke upgrade van de laser. Hiermee kunnen tot 1 miljoen pulsen per seconde worden afgevuurd (nu 250 per seconde).

Bronnen
1. The World’s Most Powerful X-ray Laser Beam Creates ‘Molecular Black Hole’, SLAC Communications, 2017
2. A. Rudenko et al., Femtosecond response of polyatomic molecules to ultra-intense hard X-rays, Nature (2017). nature.com/articles/doi:10.1038/nature22373

Dit nieuwe type maser werkt bij kamertemperatuur. Bron: CERN Courier.

Bizarre typen lasers

Lasers, voluit Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zijn niet meer weg te denken. Optische lasers zijn de bekendste vorm, maar in feite zijn er heel veel verschillende soorten lasers denkbaar. De laser lijkt een uitgekauwd onderwerp, maar niets is minder waar. Maak kennis met enkele ronduit bizarre soorten lasers.

Hoe werkt een laser?
Het principe dat achter de laser zit, gestimuleerde emissie, werd in 1917 ontdekt door Albert Einstein. Als een foton een aangeslagen atoom of molecuul met voldoende energie raakt, wordt het gekopieerd: er ontstaat een tweede foton, dat dezelfde golflengte, richting, fase  en polarisatie als het oorspronkelijke foton heeft. Kortom: identiek is. Aan de ene kant van een lasertoestel zit een spiegel, aan de andere kant een halfdoorlatende spiegel. Als er eenmaal een foton vrijkomt, kaatsen de fotonen voortdurend heen en weer tussen de twee spiegels, waarbij e steeds weer gekopieerd worden.  Er ontstaat zo een lawine van laserlicht.

De maser: een laser die radiogolven uitzendt

Dit nieuwe type maser werkt bij kamertemperatuur. Bron: CERN Courier.
Dit nieuwe type maser werkt bij kamertemperatuur. Bron: CERN Courier.

Radiostraling is net als licht, elektromagnetische straling. Het verschil is dat de radiofotonen veel langer en dus zwakker zijn dan lichtfotonen. Masers zenden microgolfstraling (kortgolvige radiostraling)  en langere golflengtes uit. De eerste laser was in feite een maser; in de begindagen werden lasers zelfs optische masers genoemd. Het kost niet veel energie om een radiofoton te produceren. Daarom kunnen masers gebruik maken van veel zwakkere aangeslagen toestanden dan lasers.  Veel moleculen, zoals ammonia, worden daarom toegepast in masers. Masers worden vaak gebruikt als signaalversterker in radartoestellen.

Natuurlijke masers in de kosmos
Overal waar een groot deel van de atomen of moleculen aangeslagen  is, kan gestimuleerde emissie optreden. Dit gebeurt vaak rond energierijke verschijnselen. Astronomen nemen al tientallen jaren maserstraling waar uit interstellaire gaswolken.  Ook uitgestoten gasschillen rond oude sterren gedragen zich vaak als maser. Waarschijnlijk de grootste lasers in het universum zijn de kerngebieden in actieve sterrenstelsels. Deze megamasers zijn lichtjaren groot.

Atoomlaser
Hoewel ook de atoomlaser gebruikt maakt van gestimuleerde emissie, is het in feite een heel ander apparaat. Reden voor enkelen om de naam ‘atoomlaser’  te verwerpen. In feite  bestaat de kern van de atoomlaser uit een extreem koud kluitje atomen (bekend als BEC of Bose-Einstein condensaat).  Bij deze temperaturen, denk aan nanokelvins,  is de energie van de atomen zeer nauwkeurig bekend, namelijk bijna nul, dus de plaats wordt zeer vaag bekend. Dus vervagen atomen tot wazige wolken die elkaar overlappen. Hebben deze atomen ook elk exact hetzelfde aantal protonen en neutronen in de kern, en is hun spin 0, dan verliezen ze hun identiteit en gedragen zich als één atoom: het BEC. Een atoomlaser produceert kluitjes atomen. Hierdoor raakt de ‘kamer’ met het BEC vanzelfsprekend leeg, waardoor de atoomlaser slechts kortdurende pulsen kan geven. Verwacht dus geen atoomlaserpistool.

Een geluidslaser. Bron: Wikimedia Commons/S. Grubudin
Een geluidslaser. Bron: Wikimedia Commons/S. Grubudin

Saser: de geluidslaser
Geluiden (en overigens ook warmte) in vaste materialen bestaan uit fononen, elementaire trillingen. Dit zijn quasideeltjes: ze bestaan niet werkelijk, maar zijn het resultaat van vibrerende atomen. Fononen zijn kwantummechanisch van aard en vertonen ook gestimuleerde emissie. En inderdaad, de eerste sasers, geluidslasers, zijn in 2010 gebouwd. Sasers werken vergelijkbaar met lasers: het brongebied wordt met bijvoorbeeld licht aangeslagen. De fononen weerkaatsen en er ontstaat een lawine van fononen. Deze leveren een coherente geluidsbundel. Sasers bestaan nog maar kort, dus echt toepassingen zijn er nog niet. Onderzoekers denken aan verbeterde echo’s en het manipuleren van materie op nanoschaal. Hebben jullie betere ideeën, deel ze dan met ons.

De opgewekte vermogens in biologische lasers zijn extreem zwak. Een superman met laserblik zou na enkele minuten al uitgeput zijn.

De levende laser

In superheldenfilms als de X-men serie en Superman komen wezens voor die een vernietigende laserstraal uit kunnen zenden. Onderzoekers zijn er voor het eerst in geslaagd een menselijke cel als laser te laten werken. Hoe kregen ze dat voor elkaar? En wat zijn de mogelijkheden?

Voor de eerste keer is een laser gebouwd van een levende cel. De menselijke niercel die gebruikt is om de laser mogelijk te maken overleefde het experiment. In de toekomst kunnen dergelijke “levende lasers” in dieren worden geactiveerd. In theorie kan levend weefsel op die manier op zeer nauwkeurige wijze in beeld worden gebracht.

Hoe werkt een laser?
Al eerder zijn “onconventionele” lasers gefabriceerd van drilpudding en aangedreven door kernreactoren. Ditzelfde kunststukje herhalen in een levende cel is echter een veel ingewikkelder probleem.  Een laser bestaat uit twee spiegels, waartussen zich een ‘gain medium’ bevindt. Dit medium wordt opgepompt, bijvoorbeeld met een chemische reactie of met licht, zodat het in aangeslagen toestand is. Heel belangrijk is dat de meerderheid van de actieve atomen in aangeslagen toestand is.
Bij het vrijmaken van die energie wordt gebruik gemaakt van gestimuleerde emissie, een door Einstein voorspeld effect. Als een lichtdeeltje een aangeslagen atoom (of groep atomen, zoals hier) raakt,  wordt het lichtdeeltje exact gekopieerd. Hierbij wordt de energie van het aangeslagen atoom opgebruikt. Dat valt terug in de grondtoestand. Als het licht keer op keer tussen de spiegels heen en weer wordt gekaatst, worden meer en meer lichtdeeltjes vrijgemaakt en ontstaat zo een lawine van fotonen die alle precies in fase zijn en exact dezelfde golflengte hebben. Erg handig om precies te kunnen werken of afstanden te meten. Zonder lasers was de moderne precisietechniek niet mogelijk geweest. Hoe beter de spiegels, hoe meer aangeslagen atomen of atoomgroepen hun energie afstaan in de vorm van laserlicht.

De levende laser

De opgewekte vermogens in biologische lasers zijn extreem zwak. Een superman met laserblik zou na enkele minuten al uitgeput zijn.
De opgewekte vermogens in biologische lasers zijn extreem zwak. Een superman met laserblik zou na enkele minuten al uitgeput zijn.

Er zijn al honderden verschillende gain media gebruikt, waaronder verschillende kleurstoffen en gassen. In sommige sterren en andere astronomische objecten komen natuurlijke radiolasers (masers) voor: als de meerderheid van bijvoorbeeld watermoleculen in het interstellaire medium aangeslagen is, kunnen zich masereffecten voordoen. Nog niemand heeft tot nu toe echter levend weefsel als laser gebruikt. Malte Gather en Seok-Hyun Yun of Harvard Universiteit besloten te experimenteren met een enkele niercel, afkomstig van een mens. Hierbij injecteerden ze in deze cel een DNA-lus die codeert voor een verbeterde vorm van GFP, groen fluorescerend proteine (eiwit). GFP licht groen op als het wordt beschenen met blauw licht en is hiermee erg nuttig als een soort biologisch signaal. Het molecuul toont de bewegingspaden van moleculen in cellen en licht op als bepaalde genen actief worden.

De onderzoekers plaatsten de cel tussen twee spiegels. Daarna bombardeerden de onderzoekers de cel met blauw licht tot hij op begon te gloeien. Zodra het groene licht tussen de spiegels op en neer begon te kaatsen, werden bepaalde geselecteerde golflengtes versterkt tot ze door de halfdoorlaatbare spiegel naar buiten treden als laserlicht. Zelfs na een paar minuten laserwerking, was de cel nog levend en gezond.

Zou in een mens of dier een krachtige laser kunnen worden ingebouwd?
Als mens beschikken we over ongeveer tweehonderd watt aan vermogen. Anders dan superheldenfilms doen geloven, bestaat er geen magisch mechanisme om veel meer vermogen dan dit op te wekken. Al deze energie halen we uit voeding. We eten per dag ongeveer tweeduizend calorieën, dit staat gelijk aan iets meer dan twee kilowattuur per dag. En daar moeten we ons lichaam ook mee onderhouden. Stel, de superheld heeft 1 kilowattuur extra per dag beschikbaar, bijvoorbeeld omdat hij heel veel eet. Dan kan slecht een klein deel van dit vermogen in een laserstraal worden geïncorporeerd. Hij zou misschien een paar minuten kunnen lassen en dan uitgeput in elkaar storten. Ook bestaan er geen biologische materialen die even goed reflecteren als laserspiegels.

Wat wel zou kunnen werken is een miniatuur kernfusiereactor die geen schadelijke straling afgeeft (neutronenarme fusie dus), in iemand inbouwen en die de energie voor een laser laten opwekken. Maar helaas. Zelfs in monsterachtige installaties als JET, ITER en de Amerikaanse Z-pinch kost kernfusie nog steeds meer energie om op te wekken dan er uit wordt gehaald. Laat staan in een mini-reactor. Maar toch. Er is ooit kernfusie opgewekt in een apparaatje kleiner dan een vuist…

Interne imaging?
Met behulp van laser optische tomografie worden laserbundels van buiten het lichaam op levend weefsel afgevuurd. De manier waarop het licht wordt doorgelaten of verstrooid toont grootte, volume en diepte van het weefsel. Op die manier kan een driedimensionaal beeld worden samengfesteld. Met een laser in het lichaam van een dier kan je veel preciezere beelden maken. Een andere techniek, fluorescentiemicroscopie, maakt gebruik van de gloed die levende cellen gedoopt met GFP afgeven om zo een beeld te produceren. Naar verwachting kan met Yun’s biologische  laser een veel nauwkeuriger beeld worden geproduceerd. Hiervoor moet uiteraard wel in veel cellen het eiwit worden ingebouwd. Ook moeten er metalen spiegeltjes op nanoschaal in de cellen worden ingebouwd. Voor mensen dus minder praktisch. Al is het natuurlijk wel handig in het donker.

Bronnen:
Malte C. Gather en Seok Hyun Yun, Single-cell biological lasers, Nature Photonics (2011)
First living laser made from kidney cell, New Scientist

De Enterprise trekt een buitenaards ruimteschip naar zich toe met de beroemde trekstraal.

Echte tractorbeam mogelijk

Een tweetal onderzoekers bedachten een manier om met een laserstraal voorwerpen naar zich toe te trekken. En, anders dan de holle-laserstraal methode, deze methode werkt ook in het luchtledig. Wordt de trekstraal, de tractor beam uit Star Trek, dan nu echt realiteit?

Star Trek-fans kennen de tractor beam: een onmisbare accessoire van de Enterprise waarmee allerlei objecten naar het schip toegesleept kunnen worden. Een trekstraal leek tot voor kort pure science-fiction. Immers: alle elektromagnetische straling kent een moment (voor de liefhebbers: Poyntingvector) in de bewegingsrichting van de laserstraal. Met andere woorden: met een laserstraal duw je voorwerpen van je af. Wellicht ken je van de middelbare school nog het lichtmolentje: zonlicht laat een zeer licht molentje in een luchtledige stolp draaien omdat de fotonen tegen het molentje weerkaatsen.

Holle tractor beam werkt alleen in een gas
In de herfst van 2010 ontwikkelden een aantal Australiërs een methode om met een holle laserstraal kleine voorwerpen naar zich toe te trekken. De methode werkt alleen in een gas zoals  lucht: het hete deel waar de laser schijnt kaatst alles weg. waardoor het voorwerp in de holle bundel blijft. Voorwerpen tot honderd keer zo zwaar als een bacterie kunnen zo verplaatst worden. Aardig, maar in het interstellaire luchtledig helpt dit natuurlijk niet erg om een oorlogsschip met agressieve aliens te enteren.

Trekstraal in vacuüm
In China, waar ook veel Star Trek fans rondlopen, hebben Jun Chen en zijn collega’s daar nu wat slimmers op gevonden, althans in theorie. Het principe werkt alleen als de laserstraal in kwestie nauwelijks tegen het deeltje aanduwt.

De Enterprise trekt een buitenaards ruimteschip naar zich toe met de beroemde trekstraal.
De Enterprise trekt een buitenaards ruimteschip naar zich toe met de beroemde trekstraal.

Als de laserbundel het voorwerp zijdelings raakt, worden dipolen op het grensvlak van het voorwerp geraakt. Als er door deze dipolen meer straling wordt verstrooid van de laserbron af gericht dan er naar toegericht, wordt het voorwerp per saldo naar de laser toegetrokken. Dit kan alleen bij bepaalde typen bundels. Het effect is heel zwak en werkt alleen als er geen gradiënt is, d.w.z. als de laserstraal niet samenkomt of zich verspreidt in het gebied waar het voorwerp zich bevindt. Ook is het bij zeer kleine deeltjes uiteraard lastig de straal precies de rand te laten raken.

Op weg naar de trekstraal
Chen denkt dat deze trekstraal erg geschikt is om nanodeeltjes mee te manipuleren. Voor stukjes antimaterie, die ontploft als deze in aanraking komt met normale materie is deze techniek uiteraard ideaal. Om een Klingon warbird of andere akelige aliens mee aan te pakken is deze trekstraal veel te zwak. Sorry, Star Trek-bedenker Gene Roddenberry. Wat dat betreft zullen we nog moeten wachten op iets als Star Treks mythische gravitonmanipulator – al lijkt het er steeds meer op dat gravitonen helemaal niet bestaan.

Waarschijnlijk bestaan er nog andere, interessanter methodes om een trekstraalachtig ding te bouwen. Zo is het vacuüm helemaal niet zo leeg als het lijkt. Zou je bijvoorbeeld de Casimir-kracht op een exotische wijze kunnen manipuleren, dan lacht Roddenberry misschien nog wel het laatst…