Графическая абстракция. Авторы и права: ACS Photonics (2022 г.). DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01304

Для изучения белков — например, при определении механизмов их биологического действия — исследователям необходимо понять движение отдельных атомов в образце. Это сложно не только потому, что атомы такие крошечные, но и потому, что такие перестройки обычно происходят за пикосекунды, то есть за триллионные доли секунды.

Один из методов изучения этих систем состоит в том, чтобы возбудить их сверхбыстрой вспышкой лазерного излучения, а затем немедленно исследовать их очень коротким электронным импульсом. Основываясь на том, как электроны рассеиваются на образце в зависимости от времени задержки между лазерным и электронным импульсами, исследователи могут получить много информации об атомной динамике. Однако охарактеризовать начальный электронный импульс сложно и требует сложных установок или мощного терагерцового излучения.

Теперь группа исследователей из Университета Цукубы использовала оптический резонатор для усиления электрического поля терагерцового (ТГц) светового импульса, генерируемого кристаллом, что уменьшает требуемый терагерцовый свет для характеристики длительности электронного импульса. ТГц излучение относится к лучам света с длинами волн между инфракрасным и микроволновым.

«Точная характеристика пробного электронного импульса имеет важное значение, потому что он длится дольше и, как правило, его сложнее контролировать по сравнению с возбуждающим лазерным лучом, который запускает атомы в движение», — объясняет соавтор, профессор Юсуке Арашида.

Подобно тому, как комната с правильной акустикой может усилить восприятие звука, резонатор может увеличить амплитуду терагерцового излучения с длинами волн, соответствующими его размеру и форме. В этом случае команда использовала резонатор в форме бабочки, ранее разработанный независимой исследовательской группой, для концентрации энергии импульса. С помощью моделирования они обнаружили, что усиление электрического поля было сосредоточено там, где должны быть «голова» и «хвост» бабочки.

Они обнаружили, что могут измерять длительность электронного импульса до пикосекунды, используя метод терагерцовой развертки. Этот подход использует падающий свет для распространения электронного импульса в перпендикулярном направлении. «Полоса» в камере формируется с информацией о времени, которая теперь закодирована в пространственное распределение результирующего изображения.

«Сверхбыстрые измерения с использованием электронных импульсов могут показать структурную динамику молекул или материалов на атомном уровне, когда они релаксируют после возбуждения лазером», — говорит старший автор, профессор Масаки Хада.

Было показано, что использование этого резонатора со слабым терагерцовым полем и напряженностью в несколько кВ/см достаточно для характеризации электронных импульсов в пикосекундных временных масштабах. Эта работа может привести к более эффективному изучению движений на уровне атомов в очень коротких временных масштабах, что может помочь в изучении биомолекул или промышленных материалов.

Статья опубликована в журнале ACS Photonics.