The start-up of the Linac Coherent Light Source (LCLS), the new femtosecond hard X-ray laser facility in Stanford, California, has brought high expectations of a new era for biological imaging. The intense, ultrashort X-ray pulses allow diffraction imaging of small structures before radiation damage occurs. Two papers in this issue of Nature present proof-of-concept experiments showing the LCLS in action. Chapman et al. tackle structure determination from nanocrystals of macromolecules that cannot be grown in large crystals. They obtain more than three million diffraction patterns from a stream of nanocrystals of the membrane protein photosystem I, and assemble a three-dimensional data set for this protein. Seibert et al. obtain images of a non-crystalline biological sample, mimivirus, by injecting a beam of cooled mimivirus particles into the X-ray beam. The start-up of the new femtosecond hard X-ray laser facility in Stanford, the Linac Coherent Light Source, has brought high expectations for a new era for biological imaging. The intense, ultrashort X-ray pulses allow diffraction imaging of small structures before radiation damage occurs. This new capability is tested for the problem of imaging a non-crystalline biological sample. Images of mimivirus are obtained, the largest known virus with a total diameter of about 0.75 micrometres, by injecting a beam of cooled mimivirus particles into the X-ray beam. The measurements indicate no damage during imaging and prove the concept of this imaging technique. X-ray lasers offer new capabilities in understanding the structure of biological systems, complex materials and matter under extreme conditions1,2,3,4. Very short and extremely bright, coherent X-ray pulses can be used to outrun key damage processes and obtain a single diffraction pattern from a large macromolecule, a virus or a cell before the sample explodes and turns into plasma1. The continuous diffraction pattern of non-crystalline objects permits oversampling and direct phase retrieval2. Here we show that high-quality diffraction data can be obtained with a single X-ray pulse from a non-crystalline biological sample, a single mimivirus particle, which was injected into the pulsed beam of a hard-X-ray free-electron laser, the Linac Coherent Light Source5. Calculations indicate that the energy deposited into the virus by the pulse heated the particle to over 100,000 K after the pulse had left the sample. The reconstructed exit wavefront (image) yielded 32-nm full-period resolution in a single exposure and showed no measurable damage. The reconstruction indicates inhomogeneous arrangement of dense material inside the virion. We expect that significantly higher resolutions will be achieved in such experiments with shorter and brighter photon pulses focused to a smaller area. The resolution in such experiments can be further extended for samples available in multiple identical copies.

X-ray free-electron lasers have enabled new approaches to the structural determination of protein crystals that are too small or radiation-sensitive for conventional analysis1. For sufficiently short pulses, diffraction is collected before significant changes occur to the sample, and it has been predicted that pulses as short as 10 fs may be required to acquire atomic-resolution structural information1,2,3,4. Here, we describe a mechanism unique to ultrafast, ultra-intense X-ray experiments that allows structural information to be collected from crystalline samples using high radiation doses without the requirement for the pulse to terminate before the onset of sample damage. Instead, the diffracted X-rays are gated by a rapid loss of crystalline periodicity, producing apparent pulse lengths significantly shorter than the duration of the incident pulse. The shortest apparent pulse lengths occur at the highest resolution, and our measurements indicate that current X-ray free-electron laser technology5 should enable structural determination from submicrometre protein crystals with atomic resolution. Researchers describe a mechanism capable of compressing fast and intense X-ray pulses through the rapid loss of crystalline periodicity. It is hoped that this concept, combined with X-ray free-electron laser technology, will allow scientists to obtain structural information at atomic resolutions.

We present a proof-of-concept three-dimensional reconstruction of the giant mimivirus particle from experimentally measured diffraction patterns from an x-ray free-electron laser. Three-dimensional imaging requires the assembly of many two-dimensional patterns into an internally consistent Fourier volume. Since each particle is randomly oriented when exposed to the x-ray pulse, relative orientations have to be retrieved from the diffraction data alone. We achieve this with a modified version of the expand, maximize and compress algorithm and validate our result using new methods.Received 3 October 2014DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.098102© 2015 American Physical Society

X-ray free-electron lasers (XFELs) and table-top sources of x-rays based upon high harmonic generation (HHG) have revolutionized the field of ultrafast x-ray atomic and molecular physics, largely due to an explosive growth in capabilities in the past decade. XFELs now provide unprecedented intensity (1020 W cm−2) of x-rays at wavelengths down to ∼1 Ångstrom, and HHG provides unprecedented time resolution (∼50 attoseconds) and a correspondingly large coherent bandwidth at longer wavelengths. For context, timescales can be referenced to the Bohr orbital period in hydrogen atom of 150 attoseconds and the hydrogen-molecule vibrational period of 8 femtoseconds; wavelength scales can be referenced to the chemically significant carbon K-edge at a photon energy of ∼280 eV (44 Ångstroms) and the bond length in methane of ∼1 Ångstrom. With these modern x-ray sources one now has the ability to focus on individual atoms, even when embedded in a complex molecule, and view electronic and nuclear motion on their intrinsic scales (attoseconds and Ångstroms). These sources have enabled coherent diffractive imaging, where one can image non-crystalline objects in three dimensions on ultrafast timescales, potentially with atomic resolution. The unprecedented intensity available with XFELs has opened new fields of multiphoton and nonlinear x-ray physics where behavior of matter under extreme conditions can be explored. The unprecedented time resolution and pulse synchronization provided by HHG sources has kindled fundamental investigations of time delays in photoionization, charge migration in molecules, and dynamics near conical intersections that are foundational to AMO physics and chemistry. This roadmap coincides with the year when three new XFEL facilities, operating at Ångstrom wavelengths, opened for users (European XFEL, Swiss-FEL and PAL-FEL in Korea) almost doubling the present worldwide number of XFELs, and documents the remarkable progress in HHG capabilities since its discovery roughly 30 years ago, showcasing experiments in AMO physics and other applications. Here we capture the perspectives of 17 leading groups and organize the contributions into four categories: ultrafast molecular dynamics, multidimensional x-ray spectroscopies; high-intensity x-ray phenomena; attosecond x-ray science.

We demonstrate the use of an X-ray free electron laser synchronized with an optical pump laser to obtain X-ray diffraction snapshots from the photoactivated states of large membrane protein complexes in the form of nanocrystals flowing in a liquid jet.Light-induced changes of Photosystem I-Ferredoxin co-crystals were observed at time delays of 5 to 10 µs after excitation.The result correlates with the microsecond kinetics of electron transfer from Photosystem I to ferredoxin.The undocking process that follows the electron transfer leads to large rearrangements in the crystals that will terminally lead to the disintegration of the crystals.We describe the experimental setup and obtain the first timeresolved femtosecond serial X-ray crystallography results from an

We report experimental results on x-ray diffraction of quantum-state-selected and strongly aligned ensembles of the prototypical asymmetric rotor molecule 2,5-diiodobenzonitrile using the Linac Coherent Light Source. The experiments demonstrate first steps toward a new approach to diffractive imaging of distinct structures of individual, isolated gas-phase molecules. We confirm several key ingredients of single molecule diffraction experiments: the abilities to detect and count individual scattered x-ray photons in single shot diffraction data, to deliver state-selected, e. g., structural-isomer-selected, ensembles of molecules to the x-ray interaction volume, and to strongly align the scattering molecules. Our approach, using ultrashort x-ray pulses, is suitable to study ultrafast dynamics of isolated molecules.

The plasma dynamics of single mesoscopic Xe particles irradiated with intense femtosecond x-ray pulses exceeding ${10}^{16}\text{ }\text{ }\mathrm{W}/{\mathrm{cm}}^{2}$ from the Linac Coherent Light Source free-electron laser are investigated. Simultaneous recording of diffraction patterns and ion spectra allows eliminating the influence of the laser focal volume intensity and particle size distribution. The data show that for clusters illuminated with intense x-ray pulses, highly charged ionization fragments in a narrow distribution are created and that the nanoplasma recombination is efficiently suppressed.