Разработан метод изучения воздействия света на вещество в атомарном масштабе

Международный коллектив ученых под руководством Торнтона Гловера (Thornton Glover) из Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) используя установку Linac Coherent Light Source (LCLS) в SLAC National Accelerator Laboratory смешали импульсы интенсивных рентгеновских лучей и лазерного излучения. Направляя такой комбинированный луч на алмазный образец исследователи смогли измерять воздействие света на химические связи в кристалле на уровне индивидуальных атомов.

Ученые сообщили о результатах своей работы в издании журнала Nature от 30 августа.

Модифицированные рентгеновские лучи имеют частоту (или энергию) равную сумме частот первоначальных рентгеновского и лазерного импульсов, поэтому процесс получил название «генерации суммарной частоты». Исаак Фройнд (Isaac Freund) и Баррри Левин (Barry Levine) из Bell Labs почти полстолетия назад предложили его для изучения микроскопических деталей воздействия света на вещество путем отделения информации о положении атомов от реакции на свет валентных электронов. Однако генерация суммарной частоты требует мощных источников рентгеновских лучей, которые до недавнего времени были недоступны в лабораториях.

LCLS – это один из таких источников, представляющий собой лазер на свободных электронах, способный генерировать сверхкороткие импульсы в миллионы раз более интенсивные, чем получаемые с помощью синхротрона. «Научное значение LCLS еще только предстоит осознать в полной мере, – считает Джером Хастингс (Jerome Hastings), профессор фотоники и соавтор статьи в Nature. – Но уже ясно, что он полезен в качестве инструмента, расширяющего применение нелинейной оптики на рентгеновский диапазон».

Поскольку энергия рентгеновских фотонов велика в сравнении с энергией связи электронов, в типичном дифракционном исследовании все электроны – и валентные (участвующие в химических реакциях) и находящиеся на более низких орбитах – рассеивают лучи почти одинаково. «Таким образом, рентгеновские лучи могут сказать вам, где находятся атомы, но они обычно не способны показать распределение химически важного валентного заряда», – комментирует Гловер. Но если одновременно с рентгеновским использовать световое излучение, оно «раскачивает» некоторые части этого валентного заряда и энергия рассеиваемого рентгеновского излучения в результате изменяется.

Помимо непосредственного изучения на атомном уровне воздействия света на химические реакции или фазовые переходы, селективная чувствительность нового метода к валентному заряду создает новые возможности отслеживания эволюции химических связей или электронов проводимости в материалах. Тонкая настройка оптического импульса позволит изучать различные компоненты валентного заряда.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365