Particle orientation from distribution of explosion fragments in XFEL experiment

In many XFEL experiments small objects with unknown orientations are introduced into the x-ray beam. However, understanding the measured quantities it would be desirable to know their orientations. This is the situation in the case of single-molecule imaging one of the main target areas of X-ray free-electron lasers. Here, the solution to the orientation problem is based on the possibility of orienting the large number of low-counting-statistics 2D diffraction patterns taken at random orientations of identical replicas of the sample. This is a difficult process and the low statistics limits the usability of these methods and ultimately it could prevent single-molecule imaging. We suggest a new approach, which avoids the use of the diffraction patterns. We propose to determine the sample orientation through identifying the direction of ejection fragments. The orientation of the sample is measured together with the diffraction pattern by detecting some fragments of the Coulomb explosion. We show by molecular-dynamics simulations that from the angular distribution of the fragments one can obtain the orientation of the samples [1].The figure shows the distribution of heavy atoms coming from different depth of the sample ( upper panel homogeneous, lower panel inhomogeneous model samples, and left to right is heavy atom at the outer boundary, halfway to center and at the center).</jats:p

A fázisprobléma megoldásának új módszerei II. = New methods for solving the phase problem II.

A krisztallográfiai fázisprobléma megoldására általunk felfedezett charge flipping módszert több, a gyakorlatban azonnal alkalmazható irányba fejlesztettük tovább. Új algoritmusváltozatokat, adatkezelést, paraméterválasztást vezettünk be, amellyel egyrészt gyorsabban, másrészt jobb minőségben oldhatók meg a kristályszerkezetek. A fejlesztések új alkalmazásokat is lehetővé tettek; az algoritmus egyik változata a negatív szórássűrűségű neutrondiffrakciós adatok, míg egy másik, különböző típusú, súlyosan hiányos adatok esetén működik kiválóan. Utóbbi esetben, akár a krisztallográfiai irodalomban szokásos adatok 1/8-val is lehetséges jó minőségű szerkezetmeghatározás. A kristályos alapállapot elméletével is részletesen foglalkoztunk. Az atomok közötti Fourier-transzformálható kölcsönhatások és a kristályos rend kapcsolatának matematikailag egzakt leírását adtuk egyes speciális, a puhaanyag-fizikához köthető esetekben. Kristályok helyett molekulák azonos replikáin alapul az atomi szerkezet meghatározásának egy teljesen új módszere, az egyrészecske-leképezés. A kísérlet csak szabadelektron-lézereknél lehetséges, és még számos kihívást jelent. Ezek közül mi az adatelőkészítés problémáját oldottuk meg, iterációs módszert alkottunk, amely az ismeretlen orientációjú és rendkívül zajos 2D diffrakciós képeket szerkezetmeghatározásra alkalmas 3D adatkészletté alakítja. | Our charge flipping method, that solves the crystallographic phase problem, was further developed with practical utilization in mind. We introduced new algorithm variants, data treatments and parameter choices, that helped to determine crystal structures both faster and at better quality. These developments also allowed new applications; one of the algorithm variants works well in the case of negative scattering density, and an other in various instances of seriously incomplete data. In the latter case, high quality structure determination is feasible using only 1/8-th of the data expected in the crystallographic literature. We also investigated the ground state of crystals with mathematical rigour. The relationship of Fourier-transformable atomic interactions and crystal order was described, the special cases treated are related to soft matter physics. Our third theme is single particle imaging, a new method of structure determination that is not based on crystals but on molecular replicas. The experiment is only made possible by free electron lasers, and it still poses a number of challenges. We worked on the problem of data preparation, and solved it by creating an iterative procedure that is capable of composing a single high-quality 3D dataset from the large number of noisy 2D images of unknown orientation

Phase field theory of crystal nucleation in hard sphere liquid

The phase field theory of crystal nucleation described in [L. Granasy, T. Borzsonyi, T. Pusztai, Phys. Rev. Lett. 88, 206105 (2002)] is applied for nucleation in hard--sphere liquids. The exact thermodynamics from molecular dynamics is used. The interface thickness for phase field is evaluated from the cross--interfacial variation of the height of the singlet density peaks. The model parameters are fixed in equilibrium so that the free energy and thickness of the (111), (110), and (100) interfaces from molecular dynamics are recovered. The density profiles predicted without adjustable parameters are in a good agreement with the filtered densities from the simulations. Assuming spherical symmetry, we evaluate the height of the nucleation barrier and the Tolman length without adjustable parameters. The barrier heights calculated with the properties of the (111) and (110) interfaces envelope the Monte Carlo results, while those obtained with the average interface properties fall very close to the exact values. In contrast, the classical sharp interface model considerably underestimates the height of the nucleation barrier. We find that the Tolman length is positive for small clusters and decreases with increasing size, a trend consistent with computer simulations.Comment: 7 pages, 7 figure

Rugalmas röntgenszórás a szerkezetkutatásban = Elastic x-ray scattering in structural research

Kutatásaink az atomi szerkezet röntgensugárzással való vizsgálatát célozták. Ezen belül kutatásunk három fő irányban folyt: 1. Megvizsgáltuk, hogy a közeljövőben épülő lineáris gyorsítókon alapuló szabad elektron lézer típusú röntgenforrásokkal (Free Electron Laser, FEL) lesz-e lehetőség egyedi, kis, nem-periodikus részecskék atomi szintű szerkezet-meghatározására. Megállapítottuk, hogy a sikeres szerkezet-meghatározáshoz a tervezetnél rövidebb impulzushosszal rendelkező forrásokra lesz szükség. Megmutattuk, hogy a folytonos szórásképből a "Fineup input-output" algoritmus egy módosított változatával rekonstruálható az eredeti atomi szerkezet. Részletesen diszkutáltuk, hogy a teljes 3D szóráskép előállításához szükséges klasszifikációs eljárás milyen feltételek között működik. 2. A holografikus módszerekkel rokon mérési eljárások elméleti és gyakorlati megvalósításán dolgoztunk. Szélesítettük a röntgen fluoreszcens holográfia alkalmazási területét, két új anyag vizsgálatával (ThAs Se Kondo rendszer és La1-xSrxMnO3 mágneses kolosszális mágneses ellenállást mutató rendszer). Egy új mérési eljárást vezettünk be, a szögintegrált rugalmas szórást, amely számos előnyös tulajdonsággal rendelkezik a hagyományos szerkezet-meghatározó mérésekkel összehasonlítva. 3. Hagyományos röntgendiffrakciós módszerekkel vizsgáltuk ismeretlen, új anyagok szerkezetét. Meghatároztuk, fullerén és kubán molekulák alkotta vegyületek szerkezetét, és tanulmányoztuk a hőmérsékletváltozás eredményeként létrejövő fázisátalakulásokat. | We worked on atomic level structure determination by x-rays. Our research was centered on three main points: 1. We examined the possibility of structure reconstruction of small, non-periodic single particles using x-ray free electron laser type sources. We have shown that the pulse length has to be significantly shortened (compared to present day planes) for successful reconstruction. Further, we illustrated that a modified version of the Fineup input-output algorithm can be used to reconstruct the original atomic structure. We also discussed in detail the conditions in which the classification process could work. 2. We worked on theoretical and practical sides of holographic and related methods. We applied x-ray fluorescent holography to a Kondo system (ThAsSe) and a colossal magnetic resistivity material (La1-xSrxMnO3), this way widening the application of holography. We introduced a new measuring method (the angular integrated elastic scattering), which has several advantages compared to classical methods. 3. Using traditional x-ray diffraction techniques we investigated the atomic structure of new compounds. We determined the structure of new fullerene-cubane compounds and studied the phase transitions as a function of the temperature

Holografikus módszerek a szerkezetkutatásban = Holographic methods in structural research

Az atomi felbontású röntgen holográfia elméleti alapjait 1991-ben dolgoztuk ki és néhány ével később végeztük el az első sikeres kísérletet. Jelen pályázat fő célja az atomi felbontású röntgen holográfia és egy új, a holográfiával rokon mérési módszer, a szögátlagolt rugalmas szórás továbbfejlesztése és alkalmazása volt. Holográfia mérések segítségével kimutattuk, hogy a La0.7Sr0.3MnO3 kristály fázisátalakulásánál nem lép fel statikus Jahn-Teller torzulás, ahogy korábban feltételezték. Kísérleti adatokból megmutattuk, hogy a szögátlagolt szórás eredményeként kapott kép ugyanazt az információt hordozza, mint a hagyományos egykristály diffrakció során egyenként összegyűjtött intenzitás adatok. Megvalósítottunk egy újfajta elektron holográfia mérést egy erre a célra átépített pásztázó elektron mikroszkóp segítségével. Eredményeket értünk el a holografikus és diffrakciós kiértékelési módszerek továbbfejlesztése terén. Kidolgoztunk egy eljárást a kis intenzitású szórásképek osztályozására a röntgen szabadelektron lézereknél egyedülálló molekulákon végzendő szóráskísérletekhez. | The theoretical foundations of atomic resolution x-ray holography were developed in 1991, and followed by the first successful experiment a few years later. The aim of the present project was the further development and application of the atomic resolution x-ray holography and a new related method, the angular integrated elastic scattering. Based on holography measurements, we have shown that in spite of earlier predictions, no static Jahn-Teller distortion occurs at the phase transition of the La0.7Sr0.3MnO3 crystal. We have shown from experimental data that the angular integrated elastic scattering pattern contains the same information as the intensity data of the conventional x-ray diffraction experiments. A novel electron holography experiment was realized using a scanning electron microscope modified for this purpose. Further development of holographic and diffraction evaluation methods was achieved. We have also developed a new method for the classification of low-intensity diffraction patterns for the single molecule imaging experiments of the x-ray free electron lasers

Orienting single-molecule diffraction patterns from XFELs using heavy-metal explosion fragments

Abstract – Single-molecule imaging is one of the main target areas of X-ray free-electron lasers. It relies on the possibility of orienting the large number of low-counting-statistics 2D diffraction patterns taken at random orientations of identical replicas of the sample. This is a difficult process and the low statistics limits the usability of orientation methods and ultimately it could prevent single-molecule imaging.We suggest a new approach, which avoids the orientation process from the diffraction patterns. We propose to determine sample orientation through identifying the direction of ejection fragments. The orientation of the sample is measured together with the diffraction pattern by detecting some fragments of the Coulomb explosion. We show by molecular-dynamics simulations that from the angular distribution of the fragments one can obtain the orientation of the samples