Лазер заставил атом воровать электроны у соседей

Используя самый мощный из работающих на данных момент рентгеновских лазеров, физики изучили взаимодействие его импульсов с молекулами. В ходе эксперимента из-за отрыва электронов от одного атома лазер стал «забирать» их у соседних атомов. Новые данные помогут улучшить методы получения рентгеновских изображений вирусов, бактерий и сложных материалов. Результаты изложены в статье в журнале Nature.

Когда электрон, находящийся на орбите атома, получает достаточно энергии, он отрывается от ядра. Этот процесс называется ионизацией. У сложных атомов много электронов, для которых энергия ионизации различна: чем ближе электрон к ядру, тем сложнее его оторвать. Поток фотонов рентгеновского диапазона будет рассеиваться на атомах, в конечном счете разрушая связи между ними, что используется в методах реконструкции изображений из дифрактограмм (CDI – Coherent diffraction imaging).

В новой работе физики использовали Линейный источник когерентного света (Linac Coherent Light Source — LCLS) — самый мощных из работающих сейчас лазеров, который скоро уступит первенство запускающемуся лазеру XFEL. Они облучали отдельные атомы ксенона, а также два типа молекул, в состав которых входит атом йода. Облучая потоком фотонов находящийся в соединении тяжелый атом, ученые лишили его электронов, но получившийся большой положительный заряд начал перетягивать отрицательные частицы с орбит соседних атомов, что привело к намного большему количеству потерянных электронов, чем в случае отдельных атомов.

Отдельный атом йода в подобной ситуации потерял бы 47 электронов из 53, но в составе молекулы его орбиту покинули 54 частицы. Таким образом, создание атома с пустыми орбитами приводит к каскаду электронных переходов в молекуле. «Мы думаем, что эффект более значим для больших молекул, но мы пока не поняли, как его количественно вычислить, — поясняет первый автор Артем Руденко из Университета штата Канзас. — Согласно нашей оценке, было выброшено более 60 электронов, но мы точно не знаем, когда прекратился процесс, так как мы не смогли зафиксировать все фрагменты во время распада молекулы. Этот вопрос остается открытым».