Кіно з атомів: вчені зафіксували пікосекунди найшвидшим у світі рентгеном

Вчені Університету штату Аризона (ASU) провели перші експерименти зі стеженням за квантовими процесами в часі на компактному рентгенівському джерелі. За допомогою надкоротких рентгенівських імпульсів вони «зняли» перебудову атомів і електронів у квантовому матеріалі. Ці імпульси дослідники назвали найшвидшими з будь-коли отриманих на компактному рентгенівському приладі.

Експерименти провели в лабораторії ASU X-Beams на установці CXLS (Compact X-ray Light Source). Для неї це не перший успіх: раніше на ній уже розшифрували першу білкову структуру. Тепер лабораторія офіційно відкривається для зовнішніх дослідників як національний науковий центр.

Над проєктом працює близько 80 людей: фахівці з лазерів, програмісти, інженери та біологи. Основне фінансування надав Національний науковий фонд США, а створення лабораторії підтримали також приватні меценати.

Рентген у кімнаті, а не в тунелі

Щоб «бачити» атоми в русі, потрібні надзвичайно короткі й яскраві рентгенівські спалахи, а їх зазвичай створюють рентгенівські лазери на вільних електронах (XFEL) у кілометрових тунелях. CXLS працює інакше: пучок електронів, розігнаний у прискорювачі завдовжки близько метра, стикається з потужним лазерним імпульсом і «відбиває» його у вигляді рентгенівського випромінювання. Так установка генерує жорсткі рентгенівські імпульси фемтосекундної тривалості тисячу разів на секунду, пишуть розробники.

За словами Сандху, вся машина має довжину близько 9 метрів і коштує мільйони доларів, тоді як великі XFEL коштують мільярди. Сьогодні вчені, яким потрібне потужне рентгенівське випромінювання, мусять подавати заявки на роботу на великих установках, як-от на канадському синхротроні CLS, де нещодавно досліджували цинково-повітряні акумулятори. Компактне джерело могло б зробити такі дослідження набагато доступнішими.

Кіно з атомів

Для першого квантового експерименту обрали дисульфід танталу 1T-TaS₂. У цьому матеріалі електрони вибудовуються в особливі періодичні візерунки, так звані хвилі зарядової густини. Під дією світла матеріал може переходити в незвичні стани, тому його вважають кандидатом для пам’яті, сенсорів і топологічних квантових комп’ютерів. Дослідники MIT ще 2022 року показали, що один лазерний імпульс може перевести його в прихований метастабільний стан.

Команда ASU спершу «вдаряла» по зразку імпульсом ближнього інфрачервоного лазера з довжиною хвилі 800 нм, а потім просвічувала його рентгенівськими імпульсами і фіксувала, як змінюється дифракційна картина. Головне тут — точна синхронізація обох імпульсів. Якщо рентген прийде на зразок надто рано або надто пізно, атоми встигнуть повернутися у звичний стан, і зміни не буде видно, пояснює Nanowerk.

Простіше кажучи, після лазерного імпульсу впорядкований візерунок електронів розпадається на менш регулярний, і за цим процесом вдалося простежити крок за кроком. Пікосекунда — це трильйонна частка секунди. Такі вимірювання допомагають зрозуміти, як матеріали поводяться під тепловим навантаженням і де вони можуть вийти з ладу.

Далі — білки

Наступна мета команди — стежити за змінами в білкових кристалах у часі. Першу статичну білкову структуру на CXLS ASU отримала ще у вересні 2025 року. Тепер вчені хочуть зняти «молекулярне кіно» білків, тобто побачити, як вони рухаються під час роботи.

До 2028 року в лабораторії має запрацювати друга установка, CXFEL, — компактний рентгенівський лазер на вільних електронах. Він має генерувати ще коротші імпульси м’якого рентгенівського випромінювання і в перспективі зможе стежити за рухом електронів на аттосекундних масштабах. На таких часових масштабах уже працює, наприклад, петагерцевий транзистор із графену.

У ASU не приховують амбіцій: якщо компактні джерела виправдають себе, подібні установки можна буде ставити в лікарнях і на виробництвах, а не лише в кількох національних лабораторіях світу. Сандху вважає, що це, зокрема, дозволить робити медичні знімки з меншою дозою опромінення, розповідав він в інтерв’ю Arizona PBS.

Джерело: Interesting Engineering