Лавина рентгеновского излучения

Линейный ускоритель электронов позволяет моделировать и астрофизические процессы.
Фото с сайта www.cells.es

Почти полвека назад была высказана теоретическая возможность создания мощного рентгеновского лазера. Через полтора десятка лет это дало возможность Рональду Рейгану в духе голливудских «Звездных войн» заявить о планах вывода на орбиту подобных лазеров.

Но понадобилось еще около трех десятков лет, чтобы рентгеновские лазеры стали реальностью. Для получения рентгеновских лучей физики используют не так давно введенный в строй линейный ускоритель электронов (Linac – Linear Accelerator). Траектория электронного пучка затем искривляется с помощью мощных магнитов, в результате чего исследователи получают сверхмощные и сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения.

Ускоритель запустили еще в прошлом году, но ученые столкнулись с трудной проблемой фокусирования рентгеновского потока. Начиная с 1960-х рентгеновские лучи неплохо фокусировали с помощью линз, очень похожих на те, что используются в маяках. Однако повышение энергии квантов излучения, которое стало в миллиард раз мощнее, привело к тому, что линзы из золота, напыленного на подложку из нитрида кремния, стали попросту плавиться в силу большого выделения тепла. Оно генерируется, когда атомы золота абсорбируют рентгеновские лучи.

На помощь пришли швейцарские физики из института П.Шеррера, предложившие наносить концентрические кольца тяжелого иридия на подложку из чистого алмаза, славящегося своей необычайно высокой теплопроводностью. Их алмазные линзы способны повышать фокусировку луча в 100 тыс. раз (до светового пятнышка диаметром в несколько сотен нанометров), сохраняя при этом свою целостность!

В Калифорнии с помощью такого мощного рентгеновского лазера удалось создать еще более мощный и «чистый» атомный лазер. Для этого сверхкороткие рентгеновские импульсы направляли на микрососуд с газом неоном. Энергии направленного на неоновую мишень кванта хватает на то, чтобы возбудить и выбить электрон с «маломощной» орбиты, что ближе к ядру. В полном соответствии с квантовой физикой ушедший с орбиты электрон имеет чуть меньшую энергию, что отличает его от «упавшего» на атом неона рентгеновского кванта.

В образовавшуюся энергетическую «яму» падает более мощный электрон с внешней орбиты неонового атома. Избыток энергии при таком падении выделяется в виде опять же рентгеновского кванта, атакующего другой атом неона. Тем самым в полном соответствии с ядерной физикой начинается цепная реакция, приводящая к лавине рентгеновского излучения. Достаточно сказать, что усиление-«накачка» рентгеновского лазера достигает 200 млн. раз!

Результаты этого эпохального достижения описаны в последнем январском номере журнала Nature. Фотоны атомного лазера имеют большую частоту, благодаря чему их длительность составляет всего лишь 12,5% от времени падающего на атом рентгена. Немаловажна и большая когерентность (связанность) атомного лазера, что делает его «свет» чище и ярче. Все это делает новый лазер неоценимым орудием исследования таких быстро протекающих – в пределах фемтосекунд (10-15 с) – процессов, как колебания атомов и молекул в тех же ферментах.

Знание изменений, протекающих в молекулах белков, позволит точнее разобраться в механизмах их действия и более целеустремленно искать лекарства для их подавления или стимуляции. Ученые также надеются получить еще более короткие рентгеновские импульсы лазеров при бомбардировке атомов кислорода, азота и совсем уж тяжелой серы, имеющих больше электронных слоев-оболочек.

Подобная же «машина» пущена и в Гамбурге, где с помощью коротких вспышек рентгеновского света удалось сделать два снимка миниатюрной модели Бранденбургских ворот, разделенных промежутком 50 фемтосекунд, что в 800 млрд. раз быстрее обычного кино. Для столь уникального события фотон рентгеновского лазера был разделен на два, следовавших затем по длинному и короткому путям, благодаря чему временная задержка составила 50 фемтосекунд.

Изображения берлинских «врат» сохранили затем в виде двух голограмм, наложенных друг на друга. Любой исследователь, зашедший на сайт лаборатории, сможет восстановить две картинки по отдельности. «В долговременной перспективе мы хотим исследовать движения молекул и других наноструктур в реальном времени», – сказала руководительница работы Нина Рорингер, опубликовавшая статью в журнале Nature Photonics. Как говорится, ученым и карты в руки.