Когда рентген научился ходить
Определение положения атомов в кристаллической решетке с помощью рентгеновских лучей не является чем-то новым. Но что такое отдельные изображения по сравнению с пленкой? Они могли бы отражать колебания в кристаллической решетке или даже ход химических реакций. Актерами были бы атомы и молекулы, сценой - пробирка. Исследовательская группа немного приблизилась к мечте о пленке в атомном диапазоне: с помощью одной из самых быстрых рентгеновских камер в мире они наблюдали за движением атомов в диапазоне пикосекунд. Они вызвали колебания атомов с помощью лазерных импульсов и в своих измерениях обнаружили, что атомы реагируют на столкновение совершенно иначе, чем предполагали исследователи. Хотя с помощью сверхбыстрой лазерной технологии можно наблюдать электроны, атомные ядра до сих пор остаются скрытыми от исследователей. Света в видимом диапазоне длин волн недостаточно, чтобы сделать их видимыми, для этого необходимы рентгеновские лучи. Однако если вы хотите получить не просто отдельные изображения, а рентгеновскую пленку, вам нужна камера, достаточно быстрая, чтобы записывать движения атомов. Роджер Фальконе из Калифорнийского университета в Беркли и его коллеги разработали такой детектор. По словам Аарона Линденберга, одного из сотрудников Falcone, это одна из самых быстрых камер в мире с временным разрешением в три пикосекунды.
Исследователи решили подвергнуть кристалл антимонида индия (InSb) вибрации импульсному инфракрасному свету и наблюдать, как исчезает картина дифракции рентгеновских лучей, когда атомы вынуждены покинуть свои фиксированные положения в кристаллической решетке. Однако после возбуждения лазерными импульсами длительностью 150 фемтосекунд произошло нечто совершенно иное. «Вместо этого мы увидели сильное колебание интенсивности дифракционного изображения», - вспоминает Линденберг. Колебание было прямым сигналом от атомов, которые коллективно вибрировали, как звенящий колокольчик с лазерным импульсом. Энергии лазерной вспышки не хватило, чтобы расплавить кристалл. Осцилляции интенсивности были самым непосредственным наблюдением таких атомных движений на сегодняшний день. Когда ученые изменили угол кристалла на монохроматический рентгеновский луч, они смогли наблюдать различные колебательные состояния с периодами от 10 до 40 пикосекунд.
В другом эксперименте исследователи увеличили интенсивность лазера до уровня, достаточного для плавления кристалла. На этот раз дифракционный сигнал исчез, но неравномерно. В зависимости от угла для затухания сигнала требовалось от 20 до менее 3 пикосекунд. По-видимому, каждое колебательное состояние совершает последнюю общую вибрацию перед тем, как движения становятся беспорядочными - подобно резиновой ленте, которая не может вернуться в исходное состояние при чрезмерном растяжении. Это наблюдение стало неожиданностью, потому что обычные модели, описывающие поведение кристалла выше его точки плавления, предполагают случайное движение атомов. Однако дифракционная картина должна была исчезать быстро и всегда с одной и той же скоростью.
Андреа Каваллери из Калифорнийского университета в Сан-Диего считает, что эксперименты являются убедительной демонстрацией важного метода, поскольку они позволяют достичь частоты вибрации более 100 гигагерц. Это больше, чем любая другая техника. И именно эти высокочастотные колебания лучше всего подходят для изучения таких атомных структур, потому что они имеют самые короткие длины волн, говорит Кавальери.