Международному коллективу учёных с участием сотрудника НИИЯФ МГУ удалось кардинально улучшить разрешение по времени в экспериментах на лазерах на свободных электронах с помощью новой техники. Открытие учёных позволит проводить эксперименты нового класса в области физики, химии и биологии. Статья опубликована 18 января в журнале Nature Physics.
Рентгеновские лазеры на свободных электронах (РЛСЭ) создают интенсивные фемтосекундные рентгеновские импульсы уже более десятилетия. Совсем недавно даже более короткие, аттосекундные импульсы были достигнуты на РЛСЭ, ещё более укрепляя важность этих установок для исследований сверхбыстрых процессов.
Одно из наиболее обещающих приложений РЛСЭ — исследования в биологии, где учёные могут получать изображения атомных масштабов даже до того, как радиационные повреждения разрушат образец. В физике и химии эти рентгеновские лучи также могут пролить свет на самые быстрые процессы, происходящие в природе, регистрируя их со временем срабатывания «затвора» всего в одну фемтосекунду, эквивалентную одной миллионной части биллионной доли секунды.
Однако на таких сверхмалых временных масштабах чрезвычайно трудно синхронизировать рентгеновский импульс, вызывающий реакцию в образце, с одной стороны, и лазерный импульс, «считывающий» её результат, с другой стороны. Эта проблема синхронизации, которая получила название «временной джиттер», дрожание, является главным барьером на пути попыток улучшить временное разрешение в исследованиях зависимости ультракоротких процессов от времени на РЛСЭ. Большая интернациональная группа учёных из многих институтов Германии, Швейцарии и семи других стран, включая Научно-исследовательский институт Ядерной Физики (НИИЯФ МГУ), разработала метод, позволяющий обойти эту проблему для РЛСЭ, и продемонстрировала его эффективность при измерении фундаментальных процессов распада атомов неона.
Многие биологические молекулярные системы повреждаются и разрушаются под воздействием рентгеновских импульсов от РЛСЭ. Одна из причин повреждений – процесс, известный как распад Оже. Рентгеновский импульс вырывает электроны из внутренних оболочек атомов образца. Образовавшиеся вакансии заполняются электронами из внешних оболочек. Высвобождаемая при этом энергия может вызвать испускание ещё электронов, так называемых электронов Оже. Радиационные повреждения вызываются как самими интенсивными рентгеновскими импульсами и образовавшимися фотоэлектронами, так и более длительным испусканием электронов Оже, что может привести к быстрому разрушению образца. Хронометрирование этих процессов может позволить избежать влияния радиационных повреждений при изучении различных биомолекул на РЛСЭ. Кроме того, время распада Оже – это ключевой параметр при изучении экзотических высоковозбужденных состояний материи, которые могут быть исследованы только на РЛСЭ.
Обычно временной джиттер не позволяет изучать протекание во времени таких ультракоротких процессов на РЛСЭ. Чтобы обойти эту проблему, группа пионеров-исследователей предложила оригинальную высокоточную технику и использовала её для определения времени протекания распада Оже. Эта техника, получившая название self-referenced attosecond streaking (рекурсивная аттосекундная развертка), основана на регистрации электронов для нескольких тысяч событий распада и извлечении информации о времени, когда событие произошло, из глобальных характеристик совокупности данных.
Для первого применения и верификации этого метода группа учёных выбрала газ неона, для которого параметры распада Оже были измерены ранее другим методом. На испускаемые фото- и Оже-электроны воздействовали импульсным лазерным полем развёртки, что позволяло определить энергии электронов в каждом из десятков тысяч событий. Существенно, что в каждом событии Оже-электрон взаимодействует с лазерным полем развертки несколько позже, чем соответствующий фотоэлектрон. Этот постоянный фактор является фундаментом техники. Собирая много тысяч индивидуальных наблюдений, исследователи смогли получить детальную карту физического процесса и отсюда определить характеристическое время задержки между фото- и Оже-электронами с точностью доли фемтосекунды, при том что временной джиттер составлял сотни фемтосекунд.
Эти измерения показали, что фотоионизация и последующая релаксация (Оже-распад) должны рассматриваться как единый процесс, а не как независимые два процесса ионизации и распада, что обычно предполагалось при теоретических описаниях Оже-процессов. Такое двухступенчатое описание оказалось неадекватно для объяснения результатов описываемого эксперимента на РЛСЭ. Теоретики Андрей Казанский и Николай Кабачник (НИИЯФ МГУ) применили единый квантово-механический подход для описания временной зависимости процесса Оже и определили фундаментальную константу Оже-распада из экспериментально определённой задержки между испусканием фото- и Оже-электронов.
«Мы надеемся, что метод рекурсивной аттосекундной развёртки будет иметь широкое применение при изучении сверхскоростных процессов. Важно, что эта техника позволяет применять метод аттосекундной развертки в экспериментах на РЛСЭ, которые приближаются к аттосекундному барьеру. Метод рекурсивной аттосекундной развёртки позволит осуществить новый класс экспериментов, сочетающих высокую интенсивность РЛСЭ с высоким временным разрешением», — добавил Николай Кабачник, ведущий научный сотрудник лаборатории физики наноструктур и радиационных эффектов НИИЯФ МГУ.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение