Новый рентгеновский метод впервые позволил увидеть движение электронов
До недавнего времени учёным не удавалось зафиксировать движение электронов с достаточным разрешением: слишком быстрые и неуловимые, они оставались размытыми или вовсе невидимыми в экспериментах. Однако международная группа физиков и химиков смогла преодолеть этот барьер благодаря новой методике рентгеновской спектроскопии, открывшей путь к беспрецедентной детализации в наблюдении электронных процессов, происходящих на атомном уровне.
Ключевым элементом эксперимента стал Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL) в Германии — одна из самых мощных установок в мире, отличающаяся высокой энергией и яркостью рентгеновского излучения. В отличие от обычных оптических микроскопов, ограниченных длиной волны видимого света, рентгеновские волны гораздо короче и способны «заглядывать» внутрь атомов, раскрывая их структуру и поведение.
Используя возможности XFEL, учёные реализовали новый метод — стохастическое вынужденное рентгеновское комбинационное рассеяние (s-SXRS). Он основан на регистрации рамановских (комбинационных) сигналов, возникающих при взаимодействии рентгеновского импульса с веществом. В эксперименте пучки рентгеновских импульсов были направлены на ячейку с неоновым газом. Проходя через газ, излучение вызывало электронный отклик в атомах неона, усиливавшийся почти в миллиард раз и затем анализировался с помощью спектрометра, разлагающего свет по длине волны.
Благодаря применению 18 тысяч отдельных рентгеновских импульсов, исследователи достигли энергетического разрешения выше 0,2 электронвольта — показателя, который до сих пор считался пределом для подобных экспериментов. Это позволило получить сверхдетализированные данные, сравнимые по точности с методами сверхвысокого разрешения в флуоресцентной микроскопии, за разработку которых в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по химии.
Таким образом, разработанный метод значительно расширяет возможности рентгеновской спектроскопии, позволяя исследовать распределение электронов вблизи атомных ядер и отслеживать их поведение в реальном времени. Ультракороткие рентгеновские импульсы длительностью менее одной фемтосекунды открывают путь к изучению динамики сложных химических реакций. Это достижение может сыграть ключевую роль в развитии новых материалов и технологий на уровне наномира.
