Атомните изблици на рентгеновите лъчи разкриват танца на свободните електрони
Благодарение на най-мощния лазер в света учените съумяха да прегледат вътрешността на молекулите.
Една атосекунда е една милиардна част от милиардна част от секундата. За една секунда минават повече атосекунди, в сравнение с са секундите от началото на Вселената. Съвременните технологии дават опция да се основават рентгенови импулси, измервани в аттосекунди. Тези свръхкратки импулси разрешават на учените да вършат „ моментни фотоси “ на субатомните частици в тяхната естествена среда.
По-рано тази година откривателите привлякоха вниманието на света, като използваха този способ, с цел да пресъздават придвижването на електроните в течна вода. С развиването на технологията учените ще могат да следят придвижването на електроните в другите молекули, което ще даде нов подтик на развиването на химията, биологията и другите науки, които учат държанието на молекулите.
Ключов инструмент за сходни проучвания е лазерът на свободни електрони (XFEL), какъвто е неотдавна осъвремененият Linac Coherent Light Source (LCLS) в Националната лаборатория за ускорители SLAC в Калифорния. Този лазер основава интензивни рентгенови лъчи, които карат електроните да се движат безредно. Когато тези лъчи се обединят в задоволително къси импулси, се получава средство за визуализация.
За да следят електроните благодарение на XFEL, учените употребяват метода „ помпа-сонда “. Първо, целта се „ напомпва “, като се възбужда с един подтик, а по-късно се „ сондира “ с втори подтик, който разрешава да се следи целта. Ако вторият подтик дойде задоволително бързо, учените могат да видят субатомните частици в тяхното квантово положение, преди рентгеновите лъчи да повредят целта.
През последното десетилетие учените съумяха да съкратят продължителността на импулсите до рекордни стойности. В неотдавна оповестена публикация експериментаторите от LCLS са понижили продължителността на импулсите до 270 атосекунди.
„ Това беше елементарен опит, който ни разреши да оценим опциите си в метода помпа-сонда “,
казва Агостино Маринели, физик от ускорителя в SLAC.
„ Когато приказваме за аттосекунди, ние в действителност желаеме да разберем по какъв начин електроните се движат в молекулярните системи “, отбелязва Джеймс Крайън, старши академик в SLAC. „ Как тъкмо се движат електроните? Как си взаимодействат между тях? “
LCLS не е единственият в света лазер със свободни електрони. Съществуват още FERMI в Италия и Европейският XFEL в Германия, които също организират опити с атосекундни импулси. Въпреки това LCLS е този, който има най- огромни благоприятни условия в своя клас. Именно в това оборудване Маринели, Краян и техните сътрудници са употребявали техниката „ помпа-сонда “ с атосекундно време, с цел да пресъздават придвижването на електроните в течна вода.
Този опит не е елементарен теоретичен трик: той оказа помощ на откривателите да схванат какво се случва, когато йонизиращото излъчване минава през течна вода. Всъщност опитът е част от програмата на Министерството на енергетиката на Съединени американски щати за по-добро схващане на държанието на нуклеарните боклуци, съхранявани във вода. Следващата стъпка на учените от SLAC ще бъде да разтворят други субстанции във вода и да следят по какъв начин електроните трансформират държанието си.
Други типове молекули също могат да бъдат изследвани благодарение на XFEL. Така да вземем за пример бензенът е относително елементарна молекула, състояща се от шест въглеродни атома, ситуирани във тип на пръстен. Учените могат да модифицират пръстена, като прибавят към него функционални групи от други атоми, след което да възбудят една от функционалните групи и да следят по какъв начин този резултат се популяризира в цялата молекула.
Атосекундните импулси разрешават такива опити. В бъдеще, споделя Краян, учените ще могат да употребяват тази технология, с цел да схванат държанието на електроните в по-сложните молекули, като да вземем за пример протеините.
Създаването на атосекундните импулси неотдавна донесе на основателите им Нобелова премия за физика за 2023 година Сега тази млада научна област стартира интензивно да се развива.
„ Всеки път, когато се открие ново направление, то поражда доста нови посоки на проучвания и тъкмо това се случва в този момент “, споделя Маринели.
казва Маринели.
