Ученые всегда мечтали знать поведение отдельных атомов и молекул в различных реакциях. Однако эти процессы оказываются настолько быстрыми, что зондировать их удается лишь при помощи сверхкоротких импульсов излучения, которые достаточно сложно формировать в определенных интервалах длин волн. Группа ученых Мичиганского университета под руководством Мэтью ДеКампа (Matthew DeCamp) добились того, что разработанный ими простой рентгеновский переключатель значительно облегчает задачу отслеживания динамики атомов и молекул в ходе реакций (M. DeCamp et al., 2001 Nature 413 825).

Рентгеновские лучи уже долгое время используются в исследованиях строения вещества, однако некоторые реакции протекают лишь за несколько пикосекунд (10^-12 с). Для исследования поведения реагентов в таких случаях необходимы импульсы рентгеновского излучения длительностью порядка фемтосекунды (10^-15 с).

Синхротроны формируют последовательности таких импульсов, однако, ученому необходимо иметь возможность подстройки параметров этих порций излучения под конкретные условия эксперимента. Простое устройство, разработанное американскими исследователями на основе кристалла германия, позволяет ученым управлять процессом формирования импульсов синхротронного излучения, включая и выключая импульсы по своему усмотрению.

Луч рентгеновского синхротронного излучения проходит сквозь кристалл и, при определенной величине угла падения, разделяется на выходе, образуя два поляризованных луча. Интенсивности обоих лучей зависят от структуры кристаллической решетки, например, расстояния между соседними атомными плоскостями. Для управления прохождением луча через кристалл и относительными интенсивностями лучей было решено использовать деформацию кристалла.

В этих целях кристалл облучался сверхкороткими лазерными импульсами, слегка смещающими атомы из узлов решетки. При определенном угле падения лазерного излучения было обнаружено, что практически вся энергия первичного рентгеновского луча каналируется только в одном из выходных лучей. При этом на выходе получается очень интенсивный когерентный луч одной поляризации и существенно ослабленный луч другой поляризации, так что кристалл выполняет роль переключателя.

Хотя рентгеновские импульсы, полученные с помощью такого переключателя, пока еще недостаточно коротки для зондирования быстрых (взрывных) химических реакций, ученые утверждают, что используя более короткие лазерные импульсы для возбуждения кристалла, они смогут сформировать и фемтосекундные импульсы рентгеновского излучения. Возможности этой технологии ограничены практически только скоростью смещения атомов в ответ на возбуждение оптическим излучением.

Подробнее: University of Michigan press release

Иллюстрации: David Reis, University of Michigan

Источник: Physics Web, 25 октября 2001