Атомните изблици на рентгеновите лъчи разкриват танца на свободните електрони

Благодарение на най-мощния лазер в света учените успяха да разгледат вътрешността на молекулите.

Една атосекунда е една милиардна част от милиардна част от секундата. За една секунда минават повече атосекунди, отколкото са секундите от началото на Вселената. Съвременните технологии дават възможност да се създават рентгенови импулси, измервани в аттосекунди. Тези свръхкратки импулси позволяват на учените да правят „моментни снимки“ на субатомните частици в тяхната естествена среда.

По-рано тази година изследователите привлякоха вниманието на света, като използваха този метод, за да визуализират движението на електроните в течна вода. С развитието на технологията учените ще могат да наблюдават движението на електроните в различните молекули, което ще даде нов тласък на развитието на химията, биологията и другите науки, които изучават поведението на молекулите.

Ключов инструмент за подобни изследвания е лазерът на свободни електрони (XFEL), какъвто е наскоро модернизираният Linac Coherent Light Source (LCLS) в Националната лаборатория за ускорители SLAC в Калифорния. Този лазер създава интензивни рентгенови лъчи, които карат електроните да се движат хаотично. Когато тези лъчи се обединят в достатъчно кратки импулси, се получава средство за визуализация.

За да наблюдават електроните с помощта на XFEL, учените използват метода „помпа-сонда“. Първо, мишената се „напомпва“, като се възбужда с един импулс, а след това се „сондира“ с втори импулс, който позволява да се наблюдава мишената. Ако вторият импулс пристигне достатъчно бързо, учените могат да видят субатомните частици в тяхното квантово състояние, преди рентгеновите лъчи да повредят мишената.

През последното десетилетие учените успяха да съкратят продължителността на импулсите до рекордни стойности. В наскоро публикувана статия експериментаторите от LCLS са намалили продължителността на импулсите до 270 атосекунди.

„Това беше прост експеримент, който ни позволи да оценим възможностите си в метода помпа-сонда“,

казва Агостино Маринели, физик от ускорителя в SLAC.

„Когато говорим за аттосекунди, ние всъщност искаме да разберем как електроните се движат в молекулярните системи“, отбелязва Джеймс Крайън, старши учен в SLAC. „Как точно се движат електроните? Как си взаимодействат помежду си?“

LCLS не е единственият в света лазер със свободни електрони. Съществуват още FERMI в Италия и Европейският XFEL в Германия, които също провеждат експерименти с атосекундни импулси. Въпреки това LCLS е този, който има най- големи възможности в своя клас. Именно в това съоръжение Маринели, Краян и техните колеги са използвали техниката „помпа-сонда“ с атосекундно време, за да визуализират движението на електроните в течна вода.

Този експеримент не е обикновен научен трик: той помогна на изследователите да разберат какво се случва, когато йонизиращото лъчение преминава през течна вода. Всъщност експериментът е част от програмата на Министерството на енергетиката на САЩ за по-добро разбиране на поведението на ядрените отпадъци, съхранявани във вода. Следващата стъпка на учените от SLAC ще бъде да разтворят други вещества във вода и да наблюдават как електроните променят поведението си.

Други видове молекули също могат да бъдат изследвани с помощта на XFEL. Така например бензенът е сравнително проста молекула, състояща се от шест въглеродни атома, разположени във вид на пръстен. Учените могат да модифицират пръстена, като добавят към него функционални групи от други атоми, след което да възбудят една от функционалните групи и да наблюдават как този ефект се разпространява в цялата молекула.

Атосекундните импулси позволяват такива експерименти. В бъдеще, казва Краян, учените ще могат да използват тази технология, за да разберат поведението на електроните в по-сложните молекули, като например протеините.

Създаването на атосекундните импулси наскоро донесе на създателите им Нобелова награда за физика за 2023 г. Сега тази млада научна област започва усилено да се развива.

„Всеки път, когато се открие ново направление, то поражда много нови направления на изследвания и точно това се случва сега“, казва Маринели.

казва Маринели.