Заказ OnLine : Ваша корзина
Рентгеновские лучи позволят следить за электронами?
Способ рентгеноструктурного анализа давно завоевал свое место в инструментарии химиков различных специальностей, позволяя определить взаимное расположением атомов в молекулярных и даже немолекулярных веществах. Результаты нового исследования позволяют надеяться, что РСА позволит заглянуть внутрь атомов.
Возможность слежения за электронами с помощью рентгеновских лучей декларируется в теоретическом исследовании Генри Суоминена и Адама Киррандера из Университета Эдинбурга. Исследователи продемонстрировали, что существует принципиальная возможность применения очень интенсивных ультракоротких импульсов рентгеновского излучения, генерируемых лазером на свободных электронах (ЛСЭ) для изучения движения электронов, перескакивающих между различными энергетическими состояниями атомов и молекул, в режиме реального времени. Если теоретические выкладки подтвердятся на экспериментальном уровне, новая методика сможет отслеживать движение электронов в биохимических процессах или в солнечных батареях, что, возможно, позволит разработать более эффективные оптические или электрохимические материалы.
Возбуждение атомов проводят с помощью лазера накачки (красный луч), а их анализ – с помощью рентгеновских импульсов (синий луч).
Киррандер и Суоминен рассчитали дифракционную картину, которая может образоваться в результате рассеивания рентгеновских лучей, сформированных в определенным образом подобранные волновые пакеты на электронах в экзотических атомах – атомах Ридберга. К атомам Ридберга относят атомы, в которых внешние электроны находятся в очень высоких энергетических состояниях, которые находятся гораздо выше, чем энергетические уровни внутренних электронов. Атомы Ридберга могут быть получены с помощью импульсов лазеров, которые могут возбуждать внешние электроны в составе атомов.
Мысль о том, что можно использовать импульсы лазера подкачки для создания определенных волновых пакетов и очень короткие импульсы рентгеновского излучения, генерируемые лазером на свободных электронах для получения серий дифракционных картин для электронов, по которым можно реконструировать их распределение. В качестве дифракционной решетки в этом случае выступает сам волновой пакет – квантовая суперпозиция отдельных волновых функций.
В качестве модели исследователи выбрали атомы Ридберга, так как для них перегруппировка волновых пакетов сравнительно медленна и происходит в течение нескольких пикосекунд, а электроны в обычных атомах и молекулах в результате фотохимического возбуждения перегруппировываются в сотни или даже тысячи раз быстрее. Более того, внешние электроны в атомах Ридберга отличаются орбитальными радиусами в сотни раз большими, чем орбитальные радиусы внутренних электронов, что еще в большей степени упрощает отслеживание изменений электронной плотности, вызванной рассеиванием на электронах Ридберга, чем движением электронов в меньшей по размеру и более плотной внутренней электронной плотности. Киррандер и Суоминен продемонстрировали, что для полученных из аргона атомов Ридберга волновые пакеты с определенной модуляцией могут использоваться для определения распределения электронной плотности через интервалы в 6 пикосекунд.
Орион Вендрелл из исследовательского центра по физике частиц DESY в Германии заявляет, что, возможно, в скором времени будет поставлен эксперимент по проверке теоретических выкладок. Он добавляет, что главная сложность будет заключаться в том чтобы детектор зафиксировал достаточное количество сигналов для расшифровки картины рассеивания.
Тем не менее, возможно ли будет отследить процессы, связанные с изменением электронной плотности, для менее экзотических систем, чем атомы Ридберга? Как отмечает Киррандер, длительность импульса лазеров на свободных электронах недостаточна для изучения процессов, которые протекают с большей скоростью, чем это характерно для динамики Ридберга. Вендрелл соглашается с тем, что в настоящее время ЛСЭ не может предоставить возможность отследить перемещение электронной плотности в процессе протекания настоящей химической реакции.
