Создан «рентгеновский микрофон» для наблюдения за сверхбыстрыми процессами в молекулах

Учёные Сибирского федерального университета и Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России вместе с коллегами из Швеции разработали принципиально новый способ «фотографировать» ультрабыстрые процессы внутри молекул. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-12-00148).

«Если оптические лазеры за полвека прошли путь от лабораторной диковинки до повседневных технологий – от принтеров до микрохирургии, – то рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL) сегодня находятся в начале этого пути. Это пока гигантские установки, доступные лишь нескольким лабораториям мира. Но их потенциал может оказаться ещё значительнее: рентген «видит» мир в масштабе отдельных атомов и фиксирует процессы длительностью в фемто- и аттосекунды», – пояснил директор Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Сергей Полютов.

Современные рентгеновские лазеры позволяют «снимать» движения электронов внутри атомов и молекул с невероятной скоростью – за фемтосекунды. Однако наблюдать за этими процессами напрямую крайне сложно: усиленное рентгеновское излучение распространяется вперёд вместе с лазерным импульсом, и его трудно отделить от исходного сигнала. «Мы предложили элегантное решение: вместо прямого наблюдения за основным рентгеновским лучом мы будем «слушать эхо» – регистрировать слабое вторичное излучение, испускаемое перпендикулярно основному пучку, – сообщил аспирант СФУ Святослав Блинов. – Это похоже на то, как по звуку, отражающемуся от стен, можно определить форму помещения, даже не видя его напрямую».

По словам ведущего научного сотрудника Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Павла Краснова, новый метод впервые даёт возможность наблюдать за сверхбыстрыми перемещениями электронов внутри молекул – процессами, которые определяют свойства материалов и ход химических реакций. При этом наблюдение осуществляется косвенно, через регистрацию вторичного флуоресцентного излучения, возникающего при нелинейном взаимодействии рентгеновского излучения с веществом.

Эти знания помогут создавать аккумуляторы с большей ёмкостью и скоростью зарядки для электромобилей и гаджетов, разрабатывать более точные лекарства с минимальными побочными эффектами, приближать создание сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, и проектировать новые катализаторы и наноматериалы – от эффективных топливных элементов до биосовместимых имплантатов. По сути, метод даёт исследователям «замедленную съёмку» нелинейных процессов в рентгеновском диапазоне, лежащих в основе будущих технологий.

Главное преимущество метода – его практичность. Технологию можно внедрить уже сейчас на существующих рентгеновских лазерах, включая Европейский XFEL, где установлен уникальный спектрометр с пространственным разрешением 15 микрометров (тоньше человеческого волоса).

«Мы создали своего рода «рентгеновский осциллограф», который позволяет увидеть то, что раньше было скрыто от глаз исследователей, – отметил ведущий научный сотрудник Центра Виктор Кимберг. – Это, как если бы мы впервые получили возможность наблюдать за движением электронов внутри молекул – движением, которое определяет свойства всего, что нас окружает».