Новости в фейсбук

В рентгеновские лазеры встроили точный «секундомер»

Международному коллективу ученых с участием сотрудников НИИЯФ МГУ удалось синхронизировать импульсы сверхбыстрых рентгеновских лазеров. Это открытие позволит резко повысить качество наблюдений за химическими реакциями внутри живых клеток и выведет эксперименты в области физики, химии и биологии на качественно новый уровень. Статья опубликована 18 января в журнале Nature Physics.


Рентгеновские лазеры на свободных электронах (РЛСЭ) создают интенсивные фемтосекундные (1 фс = 10-15 с) рентгеновские импульсы. Совсем недавно на РЛСЭ были достигнуты еще более короткие, аттосекундные (1 ас = 10-18 с) импульсы, что делает эти установки незаменимыми для исследований сверхбыстрых процессов.


Одно из наиболее обещающих приложений РЛСЭ – исследования в биологии, позволяющие получать изображения атомного масштаба до того, как радиационные повреждения разрушат образец. В физике и химии эти рентгеновские лучи также могут пролить свет на самые быстрые процессы, происходящие в природе, регистрируя их с временем срабатывания «затвора» всего в одну фемтосекунду. 


Однако на таких сверхмалых временных масштабах чрезвычайно трудно синхронизировать рентгеновский импульс, вызывающий реакцию в образце, и лазерный импульс, «считывающий» ее результат. Эта проблема синхронизации, получившая название «временной джиттер», дрожание, является главным препятствием на пути попыток улучшить временное разрешение в исследованиях зависимости ультракоротких процессов от времени на РЛСЭ. Большая международная группа ученых из Германии, Швейцарии и семи других стран, включая Россию (Научно-исследовательский институт ядерной физики – НИИЯФ МГУ), разработала метод, позволяющий обойти эту проблему для РЛСЭ, и продемонстрировала его эффективность при измерении фундаментальных процессов распада атомов неона.


Многие биологические молекулярные системы повреждаются и разрушаются под действием рентгеновских импульсов от РЛСЭ. Одна из причин повреждений – процесс, известный как распад Оже. Рентгеновский импульс вырывает электроны из внутренних оболочек атомов образца, освободившееся место заполняют электроны из внешних оболочек. Высвобождаемая при этом энергия может вызвать дополнительную эмиссию – испускание электронов Оже. Радиационные повреждения вызывают как сами интенсивные рентгеновские импульсы с образовавшимися фотоэлектронами, так и более длительное испускание электронов Оже – в результате образец может быстро разрушиться. Хронометрирование этих процессов дает возможность избежать радиационных повреждений при изучении биомолекул на РЛСЭ. При этом время распада Оже – ключевой параметр при изучении экзотических высоковозбужденных состояний материи, которые могут быть исследованы только на РЛСЭ.


Обычно временной джиттер не позволяет изучать протекание во времени таких ультракоротких процессов на РЛСЭ. Чтобы обойти проблему, группа исследователей предложила оригинальную высокоточную технику и использовала ее для определения времени протекания распада Оже. Эта техника, получившая название self-referenced attosecond streaking (рекурсивная аттосекундная развертка), основана на регистрации электронов для нескольких тысяч событий распада и извлечении информации о времени, когда событие произошло, из глобальных характеристик совокупности данных. 


Для первого применения и верификации метода ученые выбрали неон,  параметры распада Оже которого были измерены ранее другим методом. На испускаемые фото- и Оже-электроны воздействовали импульсным лазерным полем развертки, что позволило определить энергии электронов в каждом из десятков тысяч событий. Существенно, что в каждом событии Оже-электрон взаимодействует с лазерным полем развертки несколько позже, чем соответствующий фотоэлектрон. Этот постоянный фактор является фундаментом техники. Собрав много тысяч индивидуальных наблюдений, исследователи получили детальную карту физического процесса и определили характеристическое время задержки между фото- и Оже-электронами с точностью доли фемтосекунды, притом что временной джиттер составлял сотни фемтосекунд. 


Эти измерения показали, что фотоионизация и последующая релаксация (Оже-распад) должны рассматриваться как единый процесс, а не как независимые процессы ионизации и распада (такой подход присущ теоретическим описаниям Оже-процессов). Двухступенчатое описание оказалось неадекватно для объяснения результатов нынешнего эксперимента на РЛСЭ. Теоретики Андрей Казанский и Николай Кабачник (НИИЯФ МГУ) применили единый квантово-механический подход для описания временной зависимости процесса Оже и определили фундаментальную константу Оже-распада из экспериментально определенной задержки между испусканием фото- и Оже- электронов. 


«Мы надеемся, что метод рекурсивной аттосекундной развертки получит широкое применение при изучении сверхскоростных процессов. Важно, что эта техника дает возможность использовать метод аттосекундной развертки в экспериментах на РЛСЭ, которые приближаются к аттосекундному барьеру. Метод рекурсивной аттосекундной развертки позволяет осуществлять новый класс экспериментов, сочетающих высокую интенсивность РЛСЭ с высоким временным разрешением», – добавил Николай Кабачник, ведущий научный сотрудник лаборатории физики наноструктур и радиационных эффектов НИИЯФ МГУ.