Ичиро Иноуэ работает в диспетчерской SACLA (японский рентгеновский лазер на свободных электронах), где он управляет машиной для генерации двойных импульсов XFEL. Он держит рентгеновское зеркало для фокусировки рентгеновского луча до микронного размера. Кредит: Источник: SACLA / IFJ PAN

Можно ли увидеть химические реакции сложных молекул с субатомным разрешением? Вроде так, но только с применением лазеров на свободных электронах (ЛСЭ). Лазеры этого типа способны генерировать импульсы рентгеновского излучения с уникальными свойствами: они не только ультракороткие, измеряемые единичными фемтосекундами, но и содержат большое количество фотонов. После облучения образца таким импульсом получается дифракционное изображение, по которому физики могут попытаться восстановить пространственную структуру молекул. Однако в этом подходе таится очень серьезная проблема.

«Когда мы облучаем образец большим количеством фотонов высокой энергии, его атомы начинают настолько сильно взаимодействовать с излучением, что материал разрушается?» — спрашивает профессор Беата Зия-Мотыка из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове и Центра исследований лазеров на свободных электронах (CFEL) в DESY в Гамбурге.

Профессор Зиаджа-Мотика является членом международной группы физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков, возглавляемой доктором Ичиро Иноуэ из японского центра RIKEN SPring-8 FEL. Группа уже несколько лет занимается изучением взаимодействия лазерных рентгеновских импульсов с веществом. В своей последней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters , ученые представляют результаты работы над подобными процессами в случае нанокристаллов корунда, состоящих из атомов кислорода и алюминия. Экспериментальная часть проводилась с использованием рентгеновского лазера SACLA, работающего в Хиого, Япония.

«Уникальной особенностью нашего лазера является его способность генерировать импульсы жесткого, то есть высокоэнергетического рентгеновского излучения, одновременно ультракороткие и высокой интенсивности. В наших исследованиях с нанокристаллами корунда мы использовали импульсы длительностью всего шесть фемтосекунд. Собранные данные позволили нам оценить, что атомы кристалла начинают реагировать на фотонный луч с задержкой в ​​20 фемтосекунд», — говорит доктор Иноуэ.

«Экспериментальные результаты прекрасно согласуются с предсказаниями наших моделей и симуляций, в которых также проявляется аналогичная задержка», — говорит профессор Зияя-Мотыка, который вместе с доктором Виктором Ткаченко (IFJ PAN) участвовал в теоретическом анализе, описании и моделировании изучаемых явлений. «Мы полагаем, что основной причиной такой задержки является тот факт, что электроны, находящиеся в атомах, захваченных в узлах кристаллической решетки, действуют как бампер и первыми принимают на себя импульс рентгеновского импульса» - добавляет доктор Ткаченко.

Запаздывающий отклик атомов кислорода и алюминия в корунде на рентгеновский импульс оказывается следствием следующего хода событий. Когда фотоны высокой энергии попадают в кристалл, они передают эту энергию в основном электронам в атомах, внедренных в узлы кристаллической решетки. В результате этого взаимодействия электроны массово выбиваются из атомов. Из-за значительной разницы масс высвобожденных электронов и ионизирующих атомов последние первоначально не ощущают отдачи. Однако сами атомы, до сих пор электрически инертные, становятся сильно электрически заряженными и начинают чувствовать отталкивание от своих столь же заряженных соседей. Именно этот процесс занимает около 20 фемтосекунд. На еще более позднем этапе ионы получают дополнительную энергию за счет взаимодействия с ускоренными электронами.

В прошлом системы, состоящие из атомов различных элементов, уже изучались с помощью рентгеновских лазеров ЛСЭ. Однако для их облучения использовались импульсы длительностью 15–20 фемтосекунд. Сейчас известно, что именно в таком масштабе времени атомы в системах начинают реагировать на импульсное облучение. Этот факт означает, что изображения, полученные до сих пор, представляли структуры, уже частично возмущенные взаимодействием с лазерным лучом.

Совпадение времен реакции атомов нанокристалла корунда на импульс рентгеновского излучения, измеренных в последнем эксперименте, с предсказанными моделированием, позволяет с оптимизмом рассматривать дальнейшие попытки наблюдения других, более сложных систем, особенно содержащих свет элементы, из которых состоит живая материя.

Структура простых нанокристаллов, таких как корунд, воспроизводима. Существующие симметрии позволяют легко проводить наблюдения, анализировать дифракционные изображения и моделировать реакции образцов на лазерные импульсы. К сожалению, многие интересные структуры лишены симметрии. Таким образом, далеко идущей целью работы польско-японской группы физиков является разработка методов и инструментов, позволяющих визуализировать и моделировать биологически значимые системы, такие как белковые конгломераты или отдельные вирусы.

«В настоящее время выполнения компьютерного моделирования представляет собой особую проблему. Отсутствие симметрии в образцах, представляющих биологический интерес, вынуждает нас моделировать большие системы. Расчеты могут занять много месяцев. Мы работаем над сокращением их до нескольких часов, что ускорит проводить исследования и содействовать их практическому применению», — отмечает профессор Зияя-Мотыка.