Российские физики разработали метод синхронизации импульсов сверхбыстрых рентгеновских лазеров для повышения качества наблюдений за химическими реакциями и процессами внутри живых клеток.
Теперь можно будет отслеживать даже самые быстрые реакции — как в живых клетках, так и в неживой природе
Как известно, химические реакции протекают очень быстро: взаимодействия между молекулами длятся лишь несколько десятков фемтосекунд — квадриллионных долей секунды. За это время атомы реагентов успевают занять новые позиции, а электроны в этих атомах успевают поменять свои позиции ещё быстрее — за десятки или сотни аттосекунд, тысячных долей фемтосекунды. Хотя учёные считали, что никогда не смогут исследовать подобные процессы в деталях, это стало возможным после появления сверхбыстрых лазеров и ускорителей частиц, которые могут генерировать вспышки рентгеновского и гамма-излучения длиной в несколько фемтосекунд.
Существующие лазерные установки могут генерировать импульсы длиной всего в несколько аттосекунд, однако пока этому мешает явление, который физики называют джиттером — оно представляет собой своеобразное дрожание сигнала. Для наблюдений за реакциями нужно использовать не один рентгеновский импульс, а два или более, причём 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.
Как сообщает ТАСС со ссылкой на пресс-службу МГУ имени Ломоносова, российские учёные придумали, как решить подобные проблемы. Они изучили, как под действием первичного и вторичного рентгеновских импульсов распадаются образцы материи и формируются так называемые электроны Оже. 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: выделяется большое количество энергии, а клетка или образец материи разрушается.
Этот процесс протекает очень быстро и вносит в итоговый сигнал, который 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, учёные 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. «Мы надеемся, что метод рекурсивной аттосекундной развёртки 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 исследователи смогут проследить за самыми быстрыми реакциями в живых клетках и неживой природе, а физики — детально изучить экзотические состояния материи, возникающие в подобных условиях.
