Международная группа физиков впервые увидела процессы, протекающие при облучении ксеноновых нанокластеров интенсивным лазерным лучем. Ученые смогли увидеть процессы, происходящие в первые 100 фемтосекунд (одна десяти триллионная доля секунды) после импульса, в том числе, размягчение поверхности кластеров. Это первый эксперимент, позволивший увидеть фемтосекундные процессы, протекающие в масштабах тысяч атомов. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Канзаса.

Возможность увидеть сверхбыстрые структурные изменения является ключевой для понимания самых разных процессов, от химических реакций до взаимодействий между светом и веществом. При этом, изменения эти часто происходят на уровне единиц и десятков нанометров — на сегодняшний день, техник, позволяющих быстро исследовать объекты столь малых размеров почти нет. В новой работе физики создали методику, которая позволяет увидеть эволюцию структуры отдельных частиц — нанокластеров, состоящих из атомов ксенона — в быстрых процессах испарения под действием лазерного излучения.

Для исследования авторы использовали рентгеновский лазер на свободных электронах, установленный в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Он играл роль фотовспышки, «освещавшей» образец и рассеивающейся на нем. В зависимости от свойств и строения индивидуальных кластеров, картина рассеяния, которую фиксировал детектор, менялась. В работе авторам удалось получить серию снимков, показывающих как менялись с течением долей пикосекунд ксеноновые кластеры.

Схема эксперимента. KSU

Схема эксперимента. Tais Gorkhover et al. / Nature Photonics, 2016

Установка состояла из двух лазеров — рентгеновского и инфракрасного, а также источника ксеноновых нанокластеров. Один за другим кластеры «выстреливались» в сторону линии, где проходили лучи лазеров, после чего, с интервалом в доли пикосекунд, кластер облучали короткими импульсами инфракрасного, а затем и рентгеновского излучения. 

Кадры взрыва. Tais Gorkhover et al. / Nature Photonics, 2016

Инфракрасное излучение резко нагревало 26-нанометровые кластеры, что и приводило к их взрыву. Авторы смоделировали разные стадии испарения частиц и картины рентгеновского рассеяния, после чего сопоставили их с данными детектора. В результате исследователям удалось различить сверхбыстрое размягчение поверхности нанокластеров, произошедшее в первые 100 фемтосекунд с момента нагрева частиц.

Моделирование этапов взрыва нанокластера. Слева направо: момент с облучения, профиль плотности частицы, внешний вид, дифракционная картина. Tais Gorkhover et al. / Nature Photonics, 2016

Шаги по созданию оборудования для «видеосъемки» процессов на атомарном уровне предпринимают многие группы ученых. Так, ранее мы сообщали о разработке микроэлектромеханических зеркал для создания «стробоскопического» рентгеновского излучения. Анимации, создаваемые с помощью рентгеновских лучей позволяют проследить за мельчайшими изменениями в структуре вещества: запечатлеть изменения в пленке в процессе фотографирования, увидеть процесс разрядки батарей и движение ударной волны в алмазе.

Автор: Владимир Королёв