Явища трильйонної частки секунди складають ядро хімії та біології. Лише нещодавно вчені намагалися точно зафіксувати їх фактичний хід, і поки що досягли помірного успіху. Тепер фізики з Кракова запропонували новий метод вимірювання.
Незалежно від того, глибоко всередині клітини чи просто в пробірці, хімічні реакції, пов’язані з реконфігурацією електронів в атомах і молекулах, відбуваються з надзвичайною швидкістю. Їх універсальність і значимість викликають зрозумілу цікавість вчених, які тривалий час намагалися зафіксувати їх хід. Сучасні методи з використанням рентгенівського випромінювання, призначені для спостереження явищ, що тривають аттосекунди (тобто трильйонні частки секунди), стикаються з високими вимогами щодо параметрів використовуваного променя випромінювання – читаємо в прес-релізі Інституту ядерної фізики Польщі. Академія Наук у Кракові (IFJ PAN) .
Ймовірно, ситуація покращиться в найближчі роки завдяки новому методу вимірювання, запропонованому групою вчених з Інституту ядерної фізики PAS.
Відстежувати перебіг таких швидких явищ, як зв’язування атомів із молекулою, тепер можливо в основному завдяки рентгенівському лазеру на вільних електронах (XFEL). Завдяки своїм розмірам і вартості конструкції, ці пристрої працюють лише в кількох місцях по всьому світу, вони виробляють надкороткі спалахи рентгенівського випромінювання тривалістю лише кілька фемтосекунд (або квадрильйонних часток секунди).
Центри, обладнані лазерами XFEL, використовують дві основні методи вимірювання, відомі як рентгенівська спектроскопія та рентгенівська дифракція. Перший зосереджений на аналізі змін у спектрі випромінювання в результаті взаємодії зі зразком, другий досліджує, як рентгенівські промені дифундують на зразку. Обидва методи мають однакове обмеження: вони не дозволяють «побачити» процеси, коротші за тривалість імпульсу. Саме тому найшвидші явища, які досі спостерігалися, наприклад, у європейському лазері XFEL поблизу Гамбурга, тривали п’ять фемтосекунд.
«Кілька фемтосекунд — це дуже мало, але це все ще не світ атофізики. Щоб досягти цього, ми використали хроноскопію, техніку, яка аналізує зміни форми імпульсів з часом. Теоретично ми показали, що цей метод може бути успішно застосований до ультракоротких рентгенівських імпульсів, щоб отримати інформацію про зміну форми імпульсів до та після взаємодії із зразком», – говорить доктор Войцех Блачуцький (IFJ). ПАН), перший автор статті в журналі «Прикладні науки» (цитується в прес-релізі.
У цій публікації показано, що у випадку ультракоротких лазерних імпульсів можна виміряти їх часову структуру, тобто отримати інформацію про форму імпульсу. Представлений підхід потенційно дозволяє робити висновки про явища зі світу атофізики, навіть з урахуванням поточного стану технічного розвитку лазерів XFEL. Якби лазерний імпульс тривав навіть 20 фемтосекунд, але інформацію про його часову структуру можна було б відтворити, скажімо, в 100 точках, то можна було б помітити явища, що відбуваються за час 20/100 = 1/5 фемтосекунди, тобто 200 аттосекунди.
Тут надзвичайно важливо, що в наш час іноді вдавалося досягти тимчасової роздільної здатності менше 1 фемтосекунди, але для цього потрібно було значно зменшити інтенсивність лазерного променя. Це лікування має сильні побічні ефекти. Час експозиції зразків розтягується на багато годин, що на практиці унеможливлює проведення корисних вимірювань. Рентгенівська хроноскопія позбавлена цього обмеження і знижує вимоги до імпульсів випромінювання за рахунок використання чутливого методу вимірювання їхньої часової структури. Після його впровадження нинішні лазерні центри могли б витрачати частину свого робочого часу на аттосекундні вимірювання на замовлення зовнішніх організацій, наприклад, пов’язаних з галуззю.
Однак має пройти кілька років, перш ніж рентгенівська хроноскопія стане стандартною методикою дослідження. Першим кроком до її реалізації буде демонстрація того, що середня тривалість лазерного імпульсу до та після взаємодії зі зразком різна. Це було б експериментальним підтвердженням правильності методу, описаного краківськими фізиками. Лише на більш пізньому етапі дослідники зосередяться на точнішій реконструкції часових структур імпульсів до та після контакту зі зразком.
«Запропонована нами методика вимірювання не обмежується лише лазерами на вільних електронах, а є універсальною. Тому він також може бути успішно використаний у випадку інших джерел, що генерують ультракороткі імпульси рентгенівського випромінювання, таких як центр Extreme Light Infrastructure, розташований поблизу Праги», – підкреслює доктор. Якуб Шлачетко (IFJ PAN), цитується в прес-релізі.
Дослідження групи з IFJ PAN було підтримано вченими з центрів у Стокгольмі (KTH Royal Institute of Technology), Уппсалі (Uppsala University), Вільгені (Paul Scherrer Institute), Шенефельді (European XFEL GmbH) та Варшаві (Інститут фізичної хімії). Польської академії наук). Проект профінансовано завдяки гранту Національного наукового центру.
PAP – Наука в Польщі
екр /
