Самое быстрое исследование реакции электронов на рентгеновское излучение

В первом в своем роде исследовании использовались сверхбыстрые импульсы рентгеновского лазера, чтобы разрушить электроны в молекуле закиси азота и измерить полученные изменения с беспрецедентной точностью.

Спектрометр. Предоставлено: Грег Стюарт/Национальная ускорительная лаборатория SLAC.

Работа, опубликованная сегодня в журнале Science, была выполнена на источнике когерентного света линейного ускорителя (LCLS) в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC), Стэнфорд, США, и была поддержана группой из пяти ученых из Имперского колледжа Лондона.

Обычные рентгеновские лучи, используемые в визуализации и лучевой терапии, могут вызывать повреждение клеток, но точно неизвестно, как это происходит на молекулярном уровне. Кроме того, предлагаются новые высокоинтенсивные рентгеновские лазеры с короткой длительностью импульса для более точного изображения более мелких молекул, что вызывает вопросы о потенциальном повреждении, которое это может нанести живой ткани.

Впервые исследователи смогли измерить поведение электронов в молекуле, когда она реагировала на облучение сверхбыстрым рентгеновским излучением в аттосекундных масштабах — менее миллионных миллиардных долей секунды.

Понимание новых пределов

Соавтор, профессор Джон Марангос с физического факультета Imperial, сказал: «Возможность достичь точности в несколько сотен аттосекунд при измерении динамики электронов означает, что теперь мы можем начать понимать определенные явления в новых пределах.

«Дело в том, что некоторая электронная динамика в важных вопросах, таких как радиационное повреждение биомолекул, до сих пор была слишком быстрой, чтобы мы могли ее понять. Благодаря этому новому пониманию мы могли бы, например, лучше смягчить нежелательное радиационное повреждение во время лучевой терапии».

Исследователи направили одновременно рентгеновский импульс и лазерный импульс на молекулу закиси азота — первый, чтобы выбить электрон с его места, а второй, чтобы измерить полученные изменения. Ранее, используя обычные рентгеновские лучи, исследователи наблюдали эмиссию электронов в процессе, известном как распад Оже-Мейтнера (AM), в быстрой временной шкале.

Теперь, с более быстрыми рентгеновскими лазерами, они смогли наблюдать новое явление, связанное с распадом АМ. Электроны может быть трудно отслеживать из-за квантовых эффектов, что означает, что электроны могут находиться в нескольких квантовых состояниях одновременно.

Очень короткий рентгеновский импульс создает «квантовую когерентность» — суперпозицию различных электронных квантовых состояний сильно возбужденной молекулы. Измерение с точностью до аттосекунды выявило «квантовое биение» — повторяющийся паттерн, создаваемый когерентностью, — наложенный на распад АМ, наблюдаемый в токе испускаемых электронов.

Соавтор, доктор Виталий Авербух с физического факультета Империала, сказал: «Устранение отдельных когерентных квантовых эффектов, возникающих в результате этого облучения, необходимо для построения новой физической картины радиационного повреждения интенсивным сверхбыстрым рентгеновским излучением. Текущая работа — один из первых шагов в этом направлении — вместо привычного АМ-распада мы наблюдаем квантовые биения, которые представляют собой совершенно другой тип динамики, переводящийся в необратимые химические изменения.

«Насколько квантовая когерентность влияет на это химическое изменение, является предметом интенсивных исследований, но первоначальные результаты, полученные квантовыми химиками здесь, в Imperial, предполагают, что такая квантовая когерентность действительно может управлять химическими изменениями».

Attoclock измерения

Синхронизация затухания АМ и квантового биения была выполнена с использованием «атточасов», в которых используется импульс оптического лазера с круговой поляризацией, запускаемый одновременно с импульсом рентгеновского излучения. Направление лазерного поля очень быстро меняется и сообщает импульс электрону, что определяет время его испускания.

Сигнал от электрона регистрировался как положение чувствительного к импульсу детектора, записывающего время вращения лазерного поля, когда электрон появлялся. Это позволило команде точно рассчитать время динамики электронов в зависимости от того, где на детекторе появлялись сигналы.

Сверхбыстрые лазеры и установка attoclock, используемые командой, проложат путь для исследований, которые наблюдают за быстрым движением электронов в более сложных молекулах в субнанометровых (одна миллиардная часть метра) пространственных масштабах, что позволит исследователям отслеживать взаимодействия между различными частями. исследуемых атомов и молекул.