Фемтосекундная рентгеновская голография

Для изучения динамики нанообъектов в режиме реального времени необходимо сочетание строго синхронизированных ультракоротких импульсов излучения с очень высоким пространственным разрешением.

При этом, чтобы по дифракционной картине восстановить форму объекта в каждый момент времени, нужно решать сложную задачу обратного преобразования Фурье.

Альтернативой является голографическая методика, основанная на интерференции двух лучей, которые рассеиваются на объекте с некоторой задержкой по времени. Одну из модификаций этой методики группа ученых из США, Германии и Швеции применила для исследования процесса разрушения наночастиц полистирола [H.N.Chapman et al., Nature 448, 676 (2007)].

Были использованы импульсы рентгеновского излучения с длиной волны 32.5 нм и длительностью 25 фс от лазера на свободных электронах (около 1012 фотонов в одном импульсе с энергией 10 мкДж). Большое количество почти идентичных сферических наночастиц диаметром 140 нм наносили на мембрану из SiN, расположенную на расстоянии l = (30 ¸ 1200) мкм от зеркала. Падая на частицу, рентгеновский пучок, с одной стороны, рассеивается на ней, а с другой – инициирует ее распад («испарение») за счет практически мгновенного нагрева до ~ 105 К. Отражаясь затем от зеркала, этот пучок вторично рассеивается на частице (структура которой за время t = 2l/c = 0.2¸ 8 пс уже успела измениться) и интерферирует с первично рассеянным пучком (рис.1).

07_16_1.gif Рис.1. Схема эксперимента по рентгеновской голографии с фемтосекундным временным разрешением. Наночастицы полистирола покрывают мембрану, расположенную перед зеркалом

Формирующаяся при этом голограмма представляет собой когерентную суперпозицию голографических узоров от » 1000 наночастиц, оказавшихся в области действия пучка, ширина которого составляет около 20 мкм. Она содержит информацию о структуре наночастиц в момент времени t = 2l/c после начала распада. Ее компьютерный анализ позволяет определить форму наночастиц, а также распределение плотности в наночастицах (рис.2).

07_16_2.gif Рис.2. Профили плотности изначально однородной сферической наночастицы спустя время 0.5 пс (a), 0.9 пс (b) и 3.2 пс © после воздействия рентгеновского импульса.

Сейчас минимальная длина волны использованного авторами лазера (DESY, Гамбург) составляет около 2 нм. Можно надеяться, что ее уменьшение до десятых долей нанометра и менее позволит уже в обозримом будущем усовершенствовать лазерную голографию так, чтобы исследовать динамику биологических объектов, атомных кластеров и отдельных молекул, а также изучать сверхбыстрые фазовые переходы, ход химических реакций и детали процессов плавления, абляции, образования плазмы.

Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

ПерсТ: Фемтосекундная рентгеновская голография