ТАСС, 18 января. Физики придумали, как синхронизировать импульсы сверхбыстрых рентгеновских лазеров. Благодаря этому можно резко повысить качество наблюдений за химическими реакциями и процессами внутри живых клеток, пишет пресс-служба МГУ им. Ломоносова со ссылкой на статью в журнале Nature Physics.
Химические реакции протекают очень быстро: взаимодействия между самыми простыми молекулами длятся несколько десятков фемтосекунд – квадриллионных долей секунды. За это время атомы исходных реагентов успевают провзаимодействовать друг с другом и занять новые позиции. Электроны в этих атомах успевают поменять свои позиции еще быстрее – за десятки или сотни аттосекунд, тысячных долей фемтосекунды.
Долгое время ученые считали, что никогда не смогут исследовать подобные процессы в деталях. Однако это стало возможным после появления сверхбыстрых лазеров и ускорителей частиц, которые могут генерировать вспышки рентгеновского и гамма-излучения длиной в несколько фемтосекунд. В экспериментах на подобных установках физики и химики проверили и уточнили некоторые предсказания квантовой механики и теоретической химии.
Существующие лазерные установки могут генерировать и более короткие импульсы, длиной в несколько аттосекунд. Однако пока этому мешает явление, который физики называют "джиттером". Оно представляет собой своеобразное дрожание сигнала.
Дело в том, что для наблюдений за реакциями нужно использовать не один рентгеновский импульс, а два или больше. Причем они должны достичь образца через строго отмеренные промежутки времени. При переходе к лазерным импульсам длиной в несколько фемтосекунд или десятки аттосекунд соблюдать эти интервалы все сложнее, из-за чего страдает качество изображения и получаемых данных.
В новой работе ученые выяснили, как можно обойти подобные проблемы. Они изучили, как под действием первичного и вторичного рентгеновских импульсов распадаются образцы материи и формируются так называемые "электроны Оже".
Как правило, образец разрушается из-за того, что частицы света выбивают из внутренних электронных оболочек атомов электроны, с которыми сталкиваются. В результате все электронные оболочки атомов перестраиваются и другие носители отрицательного заряда выбрасываются в окружающую среду. В результате выделяется большое количество энергии, а клетка или образец материи разрушается.
Этот процесс протекает очень быстро и вносит в итоговый сигнал, которые считывается с помощью второго импульса лазера, слабо предсказуемые помехи. Вкупе с джиттером это не позволяет получать при изучении самых быстротечных реакций максимально качественные данные и усложняет реконструкцию изображений.
Наблюдая за тем, как импульсы рентгеновского лазера взаимодействовали с облаком из атомов неона, ученые проследили, как возникали эти электроны и вычислили, сколько времени проходило между появлением этих частиц и тем, когда вторая рентгеновская вспышка достигала образец. На основе этих данных физики теоретически описали процесс формирования электронов Оже на квантовом уровне. С ее помощью можно достаточно точно просчитать их действие на изучаемую материю.
"Мы надеемся, что метод рекурсивной аттосекундной развертки будет иметь широкое применение при изучении сверхскоростных процессов. Он позволит осуществить новый класс экспериментов, сочетающих высокую интенсивность рентгеновских лазеров на свободных электронах с высоким временным разрешением", – отметил один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ Николай Кабачник.
Ученые предполагают, что разработанный ими подход можно будет использовать как на уже созданных быстрых рентгеновских лазерах, которые используют для биологических и химических исследований, так и на будущих установках, которые смогут работать в аттосекундном режиме. Благодаря этому ученые смогут проследить за самыми быстрыми реакциями в живых клетках и неживой природе, а физики – детально изучить экзотические состояния материи, возникающие в подобных условиях.
