Физики использовали сверхмощный рентгеновский лазер LCLS для получения первых фотоснимков отдельных электронов, обращающихся вокруг атомов углерода в кристалле алмаза, и опубликовали результаты своей работы в статье в журнале Nature.

Излучатель LCLS в американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии является самым мощным на сегодня рентгеновским лазером на свободных электронах. Это устройство используется для самых разнообразных экспериментов в области физики элементарных частиц и в других разделах этой науки.

Так, в феврале 2012 года ученым впервые удалось получить изображения вирусной частицы в высоком разрешении, а в мае этого же года – рассмотреть отдельные атомы в молекуле белка.

Группа физиков под руководством Тортона Гловера (Thorton Glover) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) приспособила LCLS для наблюдения за взаимодействием света и электронов и фотографирования этого процесса.

«Электроны в атомах внутри молекул делятся на две группы – "активные» частицы и «зрители». Первые относятся к категории валентных электронов, участвующих в химических реакциях, а наблюдатели состоят из частиц из внутренних, заполненных электронных оболочек. Рентгеновские лучи позволяют «увидеть» атом, однако они не способны показать, как распределены валентные электроны", – пояснил Гловер.

Авторы статьи решили эту проблему следующим образом. Они подключили к компьютеру, управляющему LCLS, дополнительный лазер, излучающий в видимом диапазоне электромагнитных волн. При фотографировании сначала включается оптический лазер, и лишь через несколько мгновений – рентгеновский излучатель. Фотоны видимого света взаимодействуют с валентными электронами в атомах, «поднимая» их на более высокий энергетический уровень. Через некоторое время с ними сталкиваются лучи рентгена, в результате чего электроны теряют дополнительную энергию, опускаясь на прежний уровень. В ходе этого процесса фотоны рентгена и видимого излучения «складываются» и из образца выходит поток рентгена с новой частотой.

Данный прием позволяет отделить данные о положении атома от информации о пространственном распределении валентных электронов, вращающихся вокруг атомного ядра. Ученые успешно проверили его в действии, сфотографировав валентные электроны в алмазной пластинке.

Сама по себе эта информация не несет научной ценности, однако эта же методика может быть применена для изучения белковых кристаллов и других сложных молекул. Гловер и его коллеги полагают, что

их работа поможет другим физикам «взглянуть» на то, как происходят многие сложные химические реакции, в том числе фотосинтез.