При помощи лазера была создана “молекулярная черная дыра”

Найпотужніший у світі рентгенівський лазер LCLS (Linac Coherent Light Source) давно використовується вченими для проведення досліджень мікроскопічного світу, явищ і процесів, що відбуваються на атомарному і молекулярному рівнях.

У минулому за допомогою цього лазера вченим вдалося створити минизвезду в лабораторії, а буквально нещодавно їм вдалося, сконцентрувавши весь промінь рентгена на єдиному атомі, отримати щось кардинально протилежне, те, що можна охарактеризувати терміном «молекулярна чорна діра».

Зйомка, вироблена за допомогою лазера LCLS, дозволяє отримувати знімки з високою роздільною здатністю, «фігурантами» яких є віруси, бактерії, молекули білків та інших хімічних сполук. Ця система працює, висвітлюючи мета надзвичайно яскравим імпульсом рентгена, що тривають всього кілька фемтосекунд (мільйонної від мільярдної частки секунди). У даному випадку вчені використовували додаткове обладнання, яке дозволило сфокусувати весь рентгенівський промінь в точці, розміром 100 нанометрів, в 100 разів менших розмірів, ніж зазвичай дозволяє обладнання лазера. Метою цього заходу було вивчення реакції окремих атомів на вплив повної енергії, яку здатний виробити лазер LCLS. А створена «молекулярна чорна діра» стала досить цікавим побічним ефектом проведеного експерименту.

«Інтенсивність отриманого сфокусованого рентгенівського променя, для порівняння, в сто разів перевищує інтенсивність всього падаючого на поверхню Землі сонячного світла, зосередженого на площі, що відповідає площі невеликого фотознімку» – розповідає Себастьєн Бутет (Sebastien Boutet), один з дослідників.

В експерименті енергія імпульсу рентгенівського лазера впливала на атоми ксенону, навколо ядра якого обертається 54 електрона, і атоми йоду, у яких міститься 53 електрона. Очікувалося, що під впливом рентгена з атома будуть «вигнані» найбільш близькі до ядра атома електрони, що призведе до виникнення так званих «порожніх» атомів. Такі порожнисті атоми існують нетривалий час, перш ніж електрони з зовнішніх шарів, немов дощ, падають вниз до ядра, заповнюючи проміжки, що утворилися. І наступний імпульс рентгена знову «зносить» ці електрони, залишаючи порожній проміжок.

Вчені отримали очікуваний ефект у випадку з атомами ксенону, але у випадку з атомами йоду сталося щось незвичайне. Атоми обох типів були частинами молекул більш складних з’єднань, і коли атоми йоду потрапили під імпульс рентгена, вони перетворилися в аналог чорної діри, яка почала «висмоктувати» електрони із сусідніх атомів вуглецю і водню. Ці електрони заповнювали утворену порожнечу і були «вигнані» наступним імпульсом лазера, що призвело до повного руйнування «піддослідної» молекули.

Вчені очікували, що з окремо взятого атома йоду за допомогою рентгена можна «вигнати» 47 електронів. Насправді ж з цього атома було вигнано 54 електрона, частина з яких була електронами, «запозиченими» у сусідніх атомів. «Ми підозрюємо, що з атома йоду було вигнано понад 60 електронів» – розповідає Артем Руденко (Artem Rudenko), провідний дослідник, – «Але яких саме атомів були запозичені зайві електрони, ми не знаємо, адже молекула розвалилася перш, ніж ми змогли це з’ясувати. І це є одним з питань, відповідь на який ми постараємося отримати найближчим часом».

Незважаючи на те, що вплив рентгена на атом йоду призвело до вельми незвичайним ефектів, все, що сталося, поки вкладається в рамки існуючих теоретичних моделей. Іншими словами, такий підхід можна буде використовувати і для вивчення більш складних атомарних і молекулярних систем. Всі переваги даного підходу будуть розкриті після проведення процесу модернізації лазера LCLS. Після цієї модернізації лазер LCLS-II буде здатний виробляти не 120 імпульсів рентгена в секунду, а цілий мільйон імпульсів за цей же проміжок часу.

Leave A Comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *