Het is een van de nog overgebleven ‘heilige gralen’ van de wetenschap: een apparaat waarmee je moleculaire processen op atomaire schaal kunt volgen. Een videocamera, als het ware, die niet alleen kan inzoomen tot op het niveau van atomen, maar die ook nog eens zo snel is dat je de razendsnelle veranderingen in de moleculen kunt volgen. Je zou het een ultrasnelle videomicroscoop kunnen noemen.

Zo’n microscoop werkt niet met zichtbaar licht, maar met röntgenstraling of elektronen. Details kleiner dan de golflengte van licht (enkele honderden nanometers) blijven voor een gewone microscoop namelijk verborgen. Om atomen te kunnen zien, heb je straling nodig met een golflengte van minder dan een nanometer. Harde röntgenstraling, bijvoorbeeld, of versnelde elektronen.

Die röntgenstraling of elektronen moet je vervolgens in een korte puls weten te stoppen: het vastleggen van ultrasnelle processen komt als het ware neer op het maken van foto’s met een extreem korte belichtingstijd, niet meer dan zo’n honderd femtoseconden (een tienduizendste van een miljardste seconde) per puls. En die pulsen zijn niet gemakkelijk te maken.

Toch heeft de Californische Stanford University sinds vorig jaar zo’n heilige graal tot zijn beschikking. Het is een zogeheten X-FEL (X-ray Free Electron Laser) die superkorte, intense röntgenpulsen aflevert waarmee inmiddels ‘moleculaire filmpjes’ worden opgenomen.

Een prachtig apparaat, maar het is wel een dure grap, zegt promovendus Thijs van Oudheusden. “De X-FEL van Stanford is een miljardenproject. Ze wekken de röntgenstraling namelijk op door elektronen te versnellen in een kilometer lange lineaire versneller.” Deze elektronen worden vervolgens door een wisselend magneetveld gestuurd, een undulator, waar ze de gewenste röntgenstraling gaan uitzenden. En ook daar is een gigantische, peperdure installatie voor nodig.
Het kan echter ook makkelijker en goedkoper, zo bewees Van Oudheusden tijdens zijn promotie. Voor een fractie van de kosten (minder dan een half miljoen euro) kun je volgens hem een apparaat bouwen dat op onderdelen kan concurreren met een X-FEL. “Waarom zou je elektronen omzetten in röntgenstraling, als je ook de elektronen zelf kunt gebruiken? Bovendien hoef je aan die elektronen dan maar weinig energie mee te geven; je kunt ze in een centimeter versnellen. Daarmee past de hele opstelling gewoon op een tafel.”

Als het zo eenvoudig is, waarom heeft iemand zo’n ‘poor man’s X-FEL’, zoals Van Oudheusden het in zijn proefschrift noemt, dan niet allang gebouwd? “De moeilijkheid van het werken met elektronenpulsen is dat de elektronen elkaar onderling elektrisch afstoten. Hierdoor expanderen de elektronenpakketjes en worden de pulsen langer dan je zou willen.” Langer dan 100 femtoseconden dus, en dat zou de videomicroscoop te traag maken.

Vlak voordat Van Oudheusden aan zijn promotie begon, bedacht zijn begeleider, dr.ir. Jom Luiten, een oplossing om de ongewenste expansie tegen te gaan. Het ging erom pakketjes met precies de juiste vorm te maken. Van Oudheusden: “Als je begint met een elektronenpakket in de vorm van een ellipsoïde met een uniforme dichtheid, een waterzak noemen we dat, dan heeft het elektrische veld van de elektronen een eenvoudige, lineaire vorm.” En dat biedt perspectieven. Het betekent namelijk dat je met eenvoudige, extern aangelegde velden de expansie van de elektronen kunt beïnvloeden.

Van Oudheusden slaagde er in het CQT-lab van Technische Natuurkunde in om de benodigde ultrakorte elektronenpulsen uit een koperen plaat vrij te maken door hier nog kortere laserpulsen op te schieten. “Door de de laserpuls exact het juiste intensiteitsprofiel mee te geven, ben ik erin geslaagd om elektronenpakketjes te creëren met precies de juiste ellipsvorm. Dat was één van de moeilijkste onderdelen van het onderzoek.”

De andere moeilijkheid lag hem in de volgende stap: het comprimeren van de gecreëerde elektronenpakketjes. Van Oudheusden pakte dat als volgt aan: op het pad tussen de elektronenbron (de ‘photogun’) en het te bestuderen sample, komen de elektronen door een ruimte met een wisselend elektrisch veld. De aankomst van de elektronen is zo getimed dat dit veld een remmende werking heeft op de voorhoede van het uitdijende pakketje, terwijl de achterblijvers even later juist een zetje mee krijgen. Dit heeft een focusserende werking, en levert ter hoogte van het sample de gewenste korte elektronenpuls op.

De pakketjes bevatten elk ongeveer een miljoen elektronen. “Dat is genoeg voor een scherp beeld op basis van een enkel shot, mits je in diffractiemodus werkt.” Dat betekent dat de elektronen geen directe afbeelding van het sample maken, maar dat je deze op basis van een berekening uit het patroon van de verstrooide elektronen moet afleiden. Ook de röntgenfilmpjes van Stanfords X-FEL worden op deze manier gemaakt.

Als het goed is, komt met de promotie van Van Oudheusden op 13 december geen einde aan de ‘poor man’s X-FEL’. TU/e-dochter AccTec bv, dat ondermeer het cyclotron beheert, ontwikkelt momenteel een commerciële versie van de experimentele opstelling, bedoeld voor de wetenschappelijke wereld. Er is veel belangstelling, zegt de schepper trots: “Dat is toch de mooiste eer die je kunt behalen: dat andere mensen jouw opstelling willen hebben.” (TJ)