Мощнейший рентгеновский лазер неожиданно создал "молекулярную чёрную дыру"

Когда учёные из Национальной ускорительной лаборатории SLAC планировали эксперимент с самым мощным в мире лазером (LCLS), они совершенно не ожидали, что в результате им удастся создать миниатюрную копию чёрной дыры.
Установка, известная под названием Линейный источник когерентного света LCLS, производит жёсткое рентгеновское излучение с длинной волны от 0,13 до 6,2 нанометров, что сопоставимо с размерами многих атомов. Система генерирует сверхкороткие импульсы с энергией, способной прорезать сталь. С их помощью можно получать невероятно чёткие изображения мельчайших бактерий, вирусов, а также отдельных молекул и атомов, сделанные за мгновение до того, как микрообъекты буквально взрываются под действием луча.
На этот раз команда под руководством Дениэла Роллса (Daniel Rolles) и Артёма Руденко решила проверить, как тяжёлые атомы будут реагировать на максимально мощные импульсы, которые может создавать LCLS. Для этого исследователи сфокусировали поток рентгеновских лучей на участке шириной 100 нанометров.
"Это примерно в сто раз мощнее, чем весь солнечный свет, падающий на поверхность Земли, сфокусированный на одном ногте", – говорит соавтор исследования Себастьян Баутет (Sebastien Boutet).
В качестве мишени были выбраны атомы ксенона, каждый из которых содержит 54 электрона, и атомы йода с 53 электронами. Учёные рассчитали, что первый лазерный импульс выбросит внутренние электроны и создаст так называемый "полый атом". Затем внешние электроны каскадом устремятся на нижние энергетические уровни, чтобы заполнить пробелы. На последнем этапе планировалось с помощью дополнительных импульсов выбить все оставшиеся электроны, кроме тех, что связаны наиболее крепко.
Пока физики работали с атомами ксенона, всё шло согласно намеченному плану. Но атомы йода преподнесли им настоящий сюрприз. Эти атомы являлись частью двух различных крупных молекул. И, потеряв часть электронов, они на глазах учёных превратились в подобие чёрных дыр, которые засасывали электроны у соседних атомов углерода и водорода, а затем выбрасывали их без помощи новых импульсов.
Согласно расчётам, изолированный атом йода должен терять 47 электронов. Но, с учётом захваченного у соседних атомов, атомы йода в составе наименьшей молекулы выбросили 54 электрона, а данные для более крупной молекулы ещё предстоит уточнить.
"Мы считаем, что в крупной молекуле эффект был ещё более значительным, но мы ещё не знаем точных значений, – рассказывает ведущий автор исследования Артём Руденко. – По нашим оценкам, было выброшено более 60 электронов, но неизвестно, где он остановился, потому что мы не смогли обнаружить все фрагменты, которые разлетелись после того, как молекула развалилась, чтобы определить, как много электронов не хватает".
Может показаться, что результаты эксперимента, опубликованные в издании Nature, имеют значение только для фундаментальной науки. Тем не менее учёные в этом интереснейшем феномене уже увидели перспективу получения изображений биологических молекул с высоким разрешением и дальнейшее развитие самого метода исследования, в частности, возможность многократного увеличения частоты повторения импульсов.
Рентгеновский лазер – это мощный инструмент, от которого не только физики, но и многие другие специалисты ждут невероятных открытий. Из его прошлых достижений можно упомянуть возможность наблюдения за поведением электронов и трёхмерный "портрет" вируса.