Группа учёных под руководством профессора Николая Кабачника из Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына (НИИЯФ) МГУ имени М.В. Ломоносова, а также ведущих зарубежных специалистов, открыла новую страницу в исследовании природы ультракоротких рентгеновских лазерных импульсов. Благодаря слаженной международной кооперации впервые стали доступны высокоточные характеристики этих уникальных микроскопических вспышек, что позволило шагнуть на новый уровень в понимании основополагающих физических процессов.
Прорыв в диагностике: как устроены рентгеновские импульсы
В ходе ряда современных экспериментов исследователи осуществили тончайшие замеры энергетических и временных свойств импульсов рентгеновских лазеров на свободных электронах. В этих инновационных устройствах формирование излучения происходит за счёт движения электронов, разогнанных до релятивистских скоростей, внутри ряда специально организованных магнитных систем. При прохождении через эти магнитные установки электроны теряют часть своей энергии, генерируя при этом интенсивные, крайне короткие импульсы рентгеновского света. Этот технологический прорыв позволил добиться высочайшей мощности при рекордно малой длительности пиковых излучений.
Фундаментальные возможности рентгеновских лазеров нового поколения
Технологии рентгеновских лазеров на свободных электронах открывают перспективы исследования микромира с недосягаемой ранее точностью. Они позволяют изучать тонкую структуру атомов и молекул, в том числе входящих в состав сложных биологических систем, твёрдых тел, а также дают возможность наблюдать за динамикой атомных и молекулярных преобразований в реальном времени. Очень важным для реализации этих амбиций является уверенное знание всех параметров одиночных импульсов: длительности, временной структуры, а также точного момента прихода на конкретную мишень.
Николай Кабачник отмечает, что только обладая полной информацией о параметрах импульсов, исследователи способны проводить эксперименты с недостижимым для других методов разрешением и получать новые знания о времени развития фундаментальных процессов в материи.
Передовые экспериментальные методики: путь к измерениям с аттосекундной точностью
Преодолеть трудности измерения сверхкоротких рентгеновских импульсов помог инновационный подход — метод угловой развёртки импульса. Суть эксперимента сводилась к направлению лазерного излучения на простейшие атомы неона. Под воздействием мощных рентгеновских вспышек атомы теряли отдельные электроны, которые затем попадали во вращающееся поле инфракрасного света с циркулярной поляризацией. Взаимодействие в этом поле приводило к изменению как энергии, так и углового распределения высвободившихся электронов: их поток становился строго определённым в зависимости от параметров исходного лазерного импульса. Анализируя эти данные, учёные получили сведения о внутренней структуре и характеристиках рентгеновского излучения, сформированного в экспериментальных установках последнего поколения.
Шаг к новым временным масштабам: измерения каждого отдельного импульса
В отличие от стандартных подходов, где отдельные рентгеновские импульсы описывались усреднённым образом по большой серии измерений из-за их различий по длительности, интенсивности и энергоёмкости, команда разработала техники, позволяющие фиксировать параметры каждого отдельного события. Это стало возможным благодаря работе теоретиков — профессора Николая Кабачника и профессора Андрея Казанского, которые предоставили математически выверенное описание происходящего физического процесса. Их подход внёс ясность в природу взаимодействия коротких рентгеновских вспышек с атомами и электронными облаками в доли аттосекунды, что составляет одну миллиардную часть миллиардной доли секунды.
Такой прогресс не только расширяет горизонты понимания физических основ атомно-молекулярной динамики, но и открывает широкие экспериментальные перспективы по исследованию быстрейших процессов, происходящих в живых и неорганических системах.
Перспективы применения и новые задачи для науки и технологий
В эксперименте было использовано взаимодействие рентгеновских импульсов с простейшей системой — атомами неона. Однако учёные единодушно полагают, что предложенная методика способна стать страховкой будущих исследований, ориентированных на сложные органические молекулы и материалы, встречающиеся в биологических системах и технологиях. Например, предлагается направить следующие работы на анализ молекул, вовлечённых в фотосинтез, чтобы глубже понять механизмы начального фотовозбуждения.
Детализация всех стадий фотоинициации способна раскрыть тайны преобразования солнечной энергии живыми организмами на квантовом уровне. Исследования такого рода, по единому мнению экспертов, окажутся определяющими для совершенствования солнечных энергетических систем, разработки максимально эффективных солнечных батарей, а также создания сверхбыстрых чипов будущего, оперирующих ближе к атомному уровню.
Глобальное международное сотрудничество и научный вклад
К реализации проекта подключились ведущие представители научного сообщества из множества стран. В работе над экспериментом и теорией участвуют сотрудники Национальной ускорительной лаборатории SLAC из Соединённых Штатов Америки, специалисты из DESY (Германия), а также учёные из университетов Швейцарии, Швеции, Испании и Германии — в том числе Институт квантовой оптики общества Макса Планка, Европейский центр исследований рентгеновских лазеров, Стэнфордский и Мюнхенский университеты, Международный физический центр Доностии, исследовательские группы Qamcom Research and Technology AB, фонд Ikerbasque и другие.
Такая синергия позволяет быстро внедрять наработанные теоретические решения в реальные установки, совершенствовать методики и поддерживать высокий темп научных открытий, служащих на благо всего мирового научного сообщества.
Будущее, наполненное новыми открытиями
Открытие и применение высокоточных методов анализа рентгеновских импульсов — важный этап в развитии современной фундаментальной и прикладной науки. Исследования Николая Кабачника, Андрея Казанского и их многочисленных коллег не только расширяют горизонты знаний о структуре материи, но и прокладывают дорогу к новым технологическим решениям для человечества. Оптимистичная атмосфера сотрудничества, международный обмен опытом и творческий научный поиск обеспечивают уверенность в новых победах на пути постижения чудес микромира.
Источник: scientificrussia.ru
