Кино из атомов: ученые зафиксировали пикосекунды самым быстрым в мире рентгеном

Учёные Университета штата Аризона (ASU) провели первые эксперименты по наблюдению за квантовыми процессами во времени на компактном рентгеновском источнике. С помощью сверхкоротких рентгеновских импульсов они зафиксировали перестройку атомов и электронов в квантовом материале. Эти импульсы исследователи назвали самыми быстрыми из когда-либо полученных на компактном рентгеновском приборе.

Эксперименты провели в лаборатории ASU X-Beams на установке CXLS (Compact X-ray Light Source). Для неё это не первый успех: ранее на ней уже расшифровали первую белковую структуру. Теперь лаборатория официально открывается для внешних исследователей как национальный научный центр.

Над проектом работает около 80 человек: специалисты по лазерам, программисты, инженеры и биологи. Основное финансирование предоставил Национальный научный фонд США, а создание лаборатории поддержали также частные меценаты.

Рентген в кабинете, а не в туннеле

Чтобы «увидеть» атомы в движении, требуются чрезвычайно короткие и яркие рентгеновские вспышки, а их обычно генерируют рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL) в километровых туннелях. CXLS работает иначе: пучок электронов, разогнанный в ускорителе длиной около метра, сталкивается с мощным лазерным импульсом и «отражает» его в виде рентгеновского излучения. Таким образом, установка генерирует жесткие рентгеновские импульсы фемтосекундной длительности тысячу раз в секунду, пишут разработчики.

По словам Сандху, вся установка имеет длину около 9 метров и стоит миллионы долларов, тогда как крупные XFEL обходятся в миллиарды. Сегодня учёные, которым требуется мощное рентгеновское излучение, вынуждены подавать заявки на работу на крупных установках, таких как канадский синхротрон CLS, где недавно исследовали цинк-воздушные аккумуляторы. Компактный источник мог бы сделать такие исследования гораздо более доступными.

Кино из атомов

Для первого квантового эксперимента был выбран дисульфид тантала 1T-TaS₂. В этом материале электроны выстраиваются в особые периодические узоры, так называемые волны зарядовой плотности. Под действием света материал может переходить в необычные состояния, поэтому его считают кандидатом для создания памяти, датчиков и топологических квантовых компьютеров. Исследователи MIT ещё в 2022 году показали, что один лазерный импульс может перевести его в скрытое метастабильное состояние.

Команда ASU сначала «воздействовала» на образец импульсом ближнего инфракрасного лазера с длиной волны 800 нм, а затем просвечивала его рентгеновскими импульсами и фиксировала, как меняется дифракционная картина. Главное здесь — точная синхронизация обоих импульсов. Если рентгеновское излучение попадёт на образец слишком рано или слишком поздно, атомы успеют вернуться в обычное состояние, и изменения не будет видно, объясняет Nanowerk.

Проще говоря, после лазерного импульса упорядоченный узор электронов распадается на менее регулярный, и этот процесс удалось проследить шаг за шагом. Пикосекунда — — это триллионная доля секунды. Такие измерения помогают понять, как материалы ведут себя под тепловой нагрузкой и где они могут выйти из строя.

Далее — белки

Следующая цель команды — отслеживать изменения в белковых кристаллах во времени. Первая статическая белковая структура на CXLS ASU получила ещё в сентябре 2025 года. Теперь учёные хотят снять «молекулярное кино» белков, то есть увидеть, как они двигаются во время работы.

К 2028 году в лаборатории должна начать работу вторая установка, CXFEL, — компактный рентгеновский лазер на свободных электронах. Он должен генерировать ещё более короткие импульсы мягкого рентгеновского излучения и в перспективе сможет отслеживать движение электронов в аттосекундных масштабах. На таких временных масштабах уже работает, например, петагерцовый транзистор из графена.

В ASU не скрывают своих амбиций: если компактные источники оправдают себя, подобные установки можно будет размещать в больницах и на производственных предприятиях, а не только в нескольких национальных лабораториях мира. Сандху считает, что это, в частности, позволит делать медицинские снимки с меньшей дозой облучения, рассказывал он в интервью Arizona PBS.

Источник: Interesting Engineering