Взаимодействие атомов и молекул, образование и распад химических связей происходят столь быстро, что наблюдать их чрезвычайно сложно. Теперь немецким ученым удалось визуализировать движение атомов в кристаллах

Процессы взаимодействия атомов и молекул, образование и распад химических связей протекают столь стремительно, что непосредственное их наблюдение связано с колоссальными техническими трудностями. Важный шаг к решению этой задачи сделал в свое время американский ученый египетского происхождения Ахмед Зевайл (Ahmed H. Zewail), за что и удостоился десять лет назад Нобелевской премии по химии.

Но если изучение динамики химических реакций с тех пор значительно продвинулось вперед, то многие столь же быстро протекающие физические процессы – например, внутри кристаллов, – по-прежнему остаются для ученых загадкой, хотя и представляют огромный интерес, поскольку имеют большое прикладное значение.

И вот теперь немецким специалистам удалось визуализировать движение атомов в кристаллах. Сотрудники Института нелинейной оптики и высокоскоростной спектроскопии имени Макса Борна в Берлине использовали для этого специальную установку на основе лазера, генерирующую ультракороткие импульсы рентгеновского излучения.

Импульсный лазер

Речь идет об интервалах порядка 100 фемтосекунд. Напомню, что «фемто» – это приставка для образования наименования десятичной дольной единицы, обозначаемой десятью в минус 15-й степени. Иными словами, фемтосекунда – это одна миллионная доля одной миллиардной доли секунды. Чтобы хоть как-то представить себе столь ничтожно малый отрезок времени, можно воспользоваться таким сравнением: фемтосекунда по отношению к секунде – это то же самое, что секунда по отношению к 32-м миллионам лет. За 100 фемтосекунд – такова, напомню, продолжительность интервалов, которыми оперируют берлинские физики, – свет успевает преодолеть расстояние, равное диаметру человеческого волоса.

Бегущая лошадь и колеблющиеся атомы

Принцип, положенный учеными в основу метода визуализации сверхбыстрых процессов, отнюдь не нов: выражаясь языком фотографов, речь идет о сериях снимков с чрезвычайно малой выдержкой. Впервые этот принцип применил в 1878-м году британский фотограф Идвирд Майбридж (Eadweard Muybridge), выполнив свою знаменитую серию снимков скачущей галопом лошади и таким образом доказав, что в определенные моменты все четыре ноги животного отрываются от земли. Главное достижение берлинских ученых – уникальная экспериментальная установка.

Одна из знаменитых фотосерий Идвирда Майбриджа

Томас Эльзессер (Thomas Elsässer), директор Института имени Макса Борна и профессор экспериментальной физики Университета имени Гумбольдта, поясняет: «Мы запускаем процесс, который намерены изучить, с помощью лазерного импульса в диапазоне видимого света, а мгновение спустя регистрируем состояние объекта с помощью лазерного импульса в рентгеновском диапазоне. Варьируя временной интервал между этими двумя импульсами, можно получить своего рода кинофильм, в котором будет запечатлено течение интересующего нас процесса».

Вся надежда – на XFEL

Сегодня, в эпоху стремительного развития нанотехнологий, когда полным ходом идет разработка сверхминиатюрных электронных компонентов, ученым необходимо знать в деталях, что происходит внутри материала на атомном уровне. Именно эту задачу и позволяет решать так называемая лазерная фемтоспектроскопия, фиксирующая со сверхкороткими интервалами состояние объекта в каждый следующий момент времени.

Все это в известной мере напоминает замедленный показ интересного эпизода во время телетрансляции футбольного матча. По словам профессора Эльзессера, при соответствующих параметрах лазерных импульсов метод позволяет изучать не только твердые кристаллы, но и жидкости. А это открывает новые перспективы не только в изучении протекающих там процессов, включая химические реакции, но и в управлении ими.

Монтаж одного из сверхпроводящих модулей рентгеновского лазера в синхротронном центре DESY в Гамбурге

Особые надежды немецкие исследователи связывают с мощным рентгеновским лазером на свободных электронах XFEL (X-Ray Free Electron Laser), возводимым сейчас в синхротронном центре DESY в Гамбурге. Строительство должно быть завершено в 2014-м году. Профессор Эльзессер надеется, что новая установка позволит осуществить давнюю мечту многих ученых: «одним единственным лазерным импульсом "высветить» структуру крупной биомолекулы".

Автор: Владимир Фрадкин