Попытка визуализации при помощи рентгена процессов на атомарном уровне

07.04.2016

Попытка визуализации при помощи рентгена процессов на атомарном уровне

Международная группа физиков впервые увидела процессы, протекающие при облучении ксеноновых нанокластеров интенсивным лазерным лучем. Ученые смогли увидеть процессы, происходящие в первые 100 фемтосекунд (одна десяти триллионная доля секунды) после импульса, в том числе, размягчение поверхности кластеров. Это первый эксперимент, позволивший увидеть фемтосекундные процессы, протекающие в масштабах тысяч атомов. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Канзаса.

Возможность увидеть сверхбыстрые структурные изменения является ключевой для понимания самых разных процессов, от химических реакций до взаимодействий между светом и веществом. При этом, изменения эти часто происходят на уровне единиц и десятков нанометров — на сегодняшний день, техник, позволяющих быстро исследовать объекты столь малых размеров почти нет. В новой работе физики создали методику, которая позволяет увидеть эволюцию структуры отдельных частиц — нанокластеров, состоящих из атомов ксенона — в быстрых процессах испарения под действием лазерного излучения.

Для исследования авторы использовали рентгеновский лазер на свободных электронах, установленный в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Он играл роль фотовспышки, «освещавшей» образец и рассеивающейся на нем. В зависимости от свойств и строения индивидуальных кластеров, картина рассеяния, которую фиксировал детектор, менялась. В работе авторам удалось получить серию снимков, показывающих как менялись с течением долей пикосекунд ксеноновые кластеры.

Установка состояла из двух лазеров — рентгеновского и инфракрасного, а также источника ксеноновых нанокластеров. Один за другим кластеры «выстреливались» в сторону линии, где проходили лучи лазеров, после чего, с интервалом в доли пикосекунд, кластер облучали короткими импульсами инфракрасного, а затем и рентгеновского излучения. 

Инфракрасное излучение резко нагревало 26-нанометровые кластеры, что и приводило к их взрыву. Авторы смоделировали разные стадии испарения частиц и картины рентгеновского рассеяния, после чего сопоставили их с данными детектора. В результате исследователям удалось различить сверхбыстрое размягчение поверхности нанокластеров, произошедшее в первые 100 фемтосекунд с момента нагрева частиц.

Шаги по созданию оборудования для «видеосъемки» процессов на атомарном уровне предпринимают многие группы ученых. Так, ранее мы сообщали о разработке микроэлектромеханических зеркал для создания «стробоскопического» рентгеновского излучения. Анимации, создаваемые с помощью рентгеновских лучей позволяют проследить за мельчайшими изменениями в структуре вещества: запечатлеть изменения в пленке в процессе фотографирования, увидеть процесс разрядки батарей и движение ударной волны в алмазе.

Автор: Владимир Королёв