Самый мощный в мире рентгеновский лазер LCLS (Linac Coherent Light Source) давно используется учеными для проведения исследований микроскопического мира, явлений и процессов, происходящих на атомарном и молекулярном уровнях.
В прошлом с помощью этого лазера ученым удалось создать минизвезду в лаборатории, а буквально недавно им удалось, сконцентрировав весь луч рентгена на единственном атоме, получить что-то кардинально противоположное, то, что можно охарактеризовать термином «молекулярная черная дыра».
Съемка, производимая с помощью лазера LCLS, позволяет получать снимки с высоким разрешением, «фигурантами» которых являются вирусы, бактерии, молекулы белков и других химических соединений. Эта система работает, освещая цель чрезвычайно ярким импульсом рентгена, что длятся всего несколько фемтосекунд (миллионной от миллиардной доли секунды). В данном случае ученые использовали дополнительное оборудование, которое позволило сфокусировать весь рентгеновский луч в точке, размером 100 нанометров, в 100 раз меньших размеров, чем обычно позволяет оборудование лазера. Целью этого мероприятия было изучение реакции отдельных атомов на воздействие полной энергии, которую способен выработать лазер LCLS. А созданная «молекулярная черная дыра» стала весьма интересным побочным эффектом проведенного эксперимента.
«Интенсивность полученного сфокусированного рентгеновского луча, для сравнения, в сто раз превышает интенсивность всего падающего на поверхность Земли солнечного света, сосредоточенного на площади, что соответствует площади небольшого фотоснимка» – рассказывает Себастьен Бутет (Sebastien Boutet), один из исследователей.
В эксперименте энергия импульса рентгеновского лазера влияла на атомы ксенона, вокруг ядра которого вращается 54 электрона, и атома йода, в которых содержится 53 электрона. Ожидалось, что под воздействием рентгена с атома будут «изгнаны» самые близкие к ядру атома электроны, что приведет к возникновению так называемых «пустых» атомов. Такие полые атомы существуют непродолжительное время, прежде чем электроны с внешних слоев, словно дождь, падают вниз до ядра, заполняя образовавшиеся промежутки. И следующий импульс рентгена снова «сносит» эти электроны, оставляя пустой промежуток.
Ученые получили ожидаемый эффект в случае с атомами ксенона, но в случае с атомами йода произошло нечто необычное. Атомы обоих типов были частями молекул более сложных соединений, и когда атомы йода попали под импульс рентгена, они превратились в аналог черной дыры, которая начала «высасывать» электроны из соседних атомов углерода и водорода. Эти электроны заполняли образовавшуюся пустоту и были «изгнаны» следующим импульсом лазера, что привело к полному разрушению «подопытной» молекулы.
Ученые ожидали, что с отдельно взятого атома йода с помощью рентгена можно «выгнать» 47 электронов. На самом же деле из этого атома было изгнано 54 электрона, часть из которых была электронами, «заимствованными» у соседних атомов. «Мы подозреваем, что из атома йода было изгнано более 60 электронов» – рассказывает Артем Руденко (Artem Rudenko), ведущий исследователь, – «Но каких именно атомов были заимствованы лишние электроны, мы не знаем, ведь молекула развалилась прежде, чем мы смогли это выяснить. И это является одним из вопросов, ответ на который мы постараемся получить в ближайшее время».
Несмотря на то, что влияние рентгена на атом йода привело к весьма необычным эффектов, все, что произошло, пока укладывается в рамки существующих теоретических моделей. Другими словами, такой подход можно будет использовать и для изучения более сложных атомарных и молекулярных систем. Все преимущества данного подхода будут раскрыты после проведения процесса модернизации лазера LCLS. После этой модернизации лазер LCLS-II будет способен производить не 120 импульсов рентгена в секунду, а целый миллион импульсов за этот же промежуток времени.