По подобным экспериментальным трёхмерным спектрограммам, которые показывают распределение электронов, выбитых из атомов гелия импульсами ЛСЭ, учёные могут измерить циркулярную поляризацию импульсов ЛСЭ
Международная группа исследователей, возглавляемая учёными, разрабатывающими Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL), создала метод обнаружения и измерения спиральности, или циркулярной поляризации, рентгеновских лучей, важный для дальнейшего развития исследований в различных областях химии, физики и прикладных наук. Теоретические основы метода были разработаны сотрудником НИИЯФ МГУ Николаем Кабачником и его коллегой из Санкт-Петербургского университета Андреем Казанским, ныне работающим в Испании. Метод был апробирован в международном исследовательском центре «Elettra Sincrotrone» в Триесте (Италия) на лазере на свободных электронах (ЛСЭ) FERMI, единственной в мире установке, на которой получены интенсивные пучки циркулярно-поляризованных мягких рентгеновских лучей. Это исследование опубликовано на днях в журнале Nature Communications.
Циркулярно-поляризованные рентгеновские лучи могут стать очень важным инструментом в различных областях исследований, например, они могут дать новую информацию о право-левой асимметрии биологических молекул, хорошо известной в биохимии. Хотя многие реакции и механизмы, связанные с право-левой асимметрией, давно известны, более глубокое понимание природы асимметрии, лежащей в основе этих механизмов, может дать важный импульс к разработке новых химических и фармацевтических процессов, не говоря уже о других приложениях. Исследования асимметрии взаимодействия циркулярно-поляризованного света с магнетиками может привести к более глубокому пониманию процессов быстрой релаксации намагниченности, что важно для инновационных разработок магнитной памяти для компьютеров.
«Эти эксперименты открывают двери к новому классу исследований, которые могут быть существенны для большого числа потенциальных приложений», - говорит ведущий сотрудник Европейского XFEL Михаэл Майер, группа которого возглавляла эксперимент. «Наши исследования показали, что возможно использовать рентгеновские лучи со специальными поляризационными свойствами – циркулярно-поляризованные – как инструмент изучения право-левой асимметрии как в атомах, так и в значительно более сложных биологических молекулах».
Используя ЛСЭ, такие как FERMI или строящийся Европейский рентгеновский ЛСЭ, учёные применяют короткие интенсивные вспышки рентгеновских лучей, чтобы исследовать структуру объектов на атомном уровне и наблюдать сверхбыстрые процессы. Но чтобы использовать потенциал этих установок в полном объёме, учёные стремятся применять и другие свойства пучков рентгена, такие как их циркулярную поляризацию, а для этого необходимо измерять эти свойства с большей точностью.
Поляризация – это хорошо известное свойство света, широко используемое сейчас в различных повседневных объектах, таких как солнечные очки, ветровые стёкла автомобилей, телевизионные экраны. Оно заключается в том, что электромагнитное поле, которое представляет собой свет, ориентировано определенным образом. В циркулярно-поляризованных рентгеновских лучах это поле спирально закручено, как штопор, либо в направлении по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Соответственно различается право- и лево- циркулярно-поляризованные лучи.
Во многих экспериментах с циркулярно-поляризованным светом учёным важно знать, в какой степени закручено поле и в какую сторону. Такого рода эксперименты важны в различных областях знаний, в частности, возможно, они позволят выяснить: почему многие важнейшие биологические молекулы обладают так называемой хиральностью, т.е. закручены либо вправо, либо влево.
Хиральность – свойство молекул существовать в двух зеркально-симметричных вариантах: правый и левый изомеры. В неживой природе оба варианта встречаются в равных количествах. Один из интереснейших вопросов биохимии – почему в живой природе важнейшие блоки организмов – аминокислоты – почти исключительно левые, тогда как другие биологические молекулы, например сахара – почти исключительно правые. Ответа на этот вопрос мы не знаем, и он, возможно, связан с происхождением жизни на Земле.
«Совершенно неясно, - говорит Майер, - какую роль играла хиральность на самых ранних стадиях зарождения жизни. Исследования с помощью циркулярно-поляризованных рентгеновских лучей, возможно, прольют свет на тайну преимущественного существования правых либо левых биологических молекул».
Наряду с биологическими приложениями, исследования с помощью циркулярно-поляризованных рентгеновских лучей магнитных материалов позволят изучать магнитные свойства нано-объектов, что может инициировать создание сверхминиатюрных магнитных носителей информации.
В ряде экспериментов трудно отличить циркулярно-поляризованное рентгеновское излучение от неполяризованного. Поляризационные фильтры, разделяющие такого типа рентгеновские лучи, просто не существуют для пучков такой мощности. Вот почему новый метод детектирования и измерения циркулярной поляризации представляется очень важным и нужным.
Метод, реализованный учеными из Европейского рентгеновского ЛСЭ в сотрудничестве с учёными синхротрона Elettra (Триест), DESY (Гамбург), и 13 других институтов, заключается в облучении атомов гелия рентгеновскими импульсами от ЛСЭ. Рентгеновские импульсы выбивают один из двух электронов атома гелия, производя положительный ион гелия. Образовавшийся ион гелия и выбитый электрон сохраняют спиральные свойства рентгеновских импульсов. Когда ион и электрон попадают в сильное поле инфракрасного лазера с известной высокой степенью циркулярной поляризации, фотоэлектрон, регистрируемый затем спектрометром, имеет такие характеристики, которые отражают спиральные свойства рентгеновского импульса. «Точно так же, как натуралист по следам животного может сказать, что это за животное, куда и как быстро оно двигалось, так и мы, изучая «отпечатки» рентгеновских лучей на гелии, можем сказать, как они были поляризованы»,- говорит Майер.
Техника нового метода требует прецизионного контроля параметров рентгеновского излучения и синхронизации с инфракрасным лазером. «Именно такие возможности имеются на ЛСЭ FERMI, идеальной установке для демонстрации нового метода», - говорит сотрудник FERMI Карло Каллегари, один из авторов статьи и координатор линии для исследования материи при низкой плотности, на которой был проведён эксперимент.
Так как эта техника относительно проста, она может быть легко перенесена на другие установки, включая Европейский рентгеновский ЛСЭ. Теперь учёные имеют лучшие возможности для использования циркулярно-поляризованных рентгеновских лучей для изучения глубоких проблем естествознания.
«Я не ожидаю, что измерения поляризации рентгеновских лучей будут проводиться при каждом эксперименте на ЛСЭ, но, по крайней мере, учёные будут иметь возможность проверять поляризацию при каждой смене условий эксперимента, точно также, как музыканты должны время от времени настраивать свой инструмент», - говорит Майер.
О Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (European XFEL)
Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах, создаваемый в настоящее время в Гамбурге, будет международной исследовательской установкой с уникальными свойствами: 27000 вспышек рентгеновских лучей в секунду с яркостью в миллиард раз больше, чем яркость лучших современных обычных рентгеновских источников. Эта установка откроет совершенно новые возможности для исследования материи. Исследовательские группы со всего мира будут иметь возможность создавать атомные «карты» вирусов, расшифровывать молекулярную структуру клеток, делать трехмёрные «фотографии» наноструктур, снимать «кинофильмы» химических реакций и изучать процессы, которые происходят в ядрах планет. За создание и работу этой установки ответственна некоммерческая компания European XFEL GmbH, тесно связанная с немецким исследовательским центром DESY и другими организациями во всём мире. Ко времени запуска лазера в 2017 году в компании будут заняты около 250 человек. Учитывая стоимость установки в 1,15 миллиарда Евро (в ценах 2005 года) и полную длину установки 3,4 км, можно сказать, что Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах – это на сегодняшний день самый большой и самый амбициозный европейский исследовательский проект. В настоящее время 12 стран подписали конвенцию о создании этой установки: Дания, Франция, Германия, Греция, Венгрия, Италия, Польша, Россия, Словакия, Испания, Швеция и Швейцария. Россия – вторая после Германии страна по количеству вложенных средств (почти 25% полной стоимости проекта).
Подготовлено по материалам сайта Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах