Физики изогнули рентгеновский пучок

Материаловеды из Гёттингенского университета разработали волновод для рентгеновского излучения, способный отклонять лучи на углы вплоть до 30 градусов при его длине в пять миллиметров. По словам ученых, эта разработка позволит создавать интегрированные оптические микросхемы для рентгеновского излучения, в которых его можно будет делить, замедлять и обрабатывать иными способами, применяемыми в обычной оптике. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко с ним можно ознакомиться в Physics.

Разработанный волновод представляет собой специальный канал, внутри которого распространяется пучок рентгеновского излучения. Ключевым в его технологии является эффект полного внутреннего отражения и соответствующий критический угол. Это такой угол падения при котором весь свет, падающий на границу двух сред, отражается от нее, не поглощаясь и не преломляясь. Для рентгеновского излучения он меньше одного градуса, поэтому если волновод будет слишком изгибаться, то все излучение будет полностью рассеяно в окружающей среде. Вместе с тем, другие способ отклонения, в частности, преломление на границе двух сред, не применимы к рентгеновскому излучению — соответствующие коэффициенты преломления слишком малы.

Для того, чтобы соответствовать требованию небольшой величины углов отражения, диаметр волновода был выбран равным 100 нанометрам. В качестве основы для волновода ученые выбрали металлический тантал — металл, обладающий высокой плотностью, сравнительно большим критическим углом и, при этом, способный хорошо поглощать рентгеновское излучение. В танталовой пластинке были вытравлены несколько каналов с различной кривизной, сквозь которые, затем, пропускалось интенсивное излучение. В качестве его источника авторы выбрали синхротроны DESY (Гамбург) и ESRF (Гренобль). Пучок фокусировали таким образом, что на входе в волновод его толщина составляла сотни нанометров.

Напротив пластинки располагали детектор, который и определял, насколько отклонился пучок от своего первоначального положения. Оказалось что наиболее выраженный пучок образовывался при необычно маленьком радиусе кривизны — всего в 10 миллиметров. Длина волновода при этом составила около 5 миллиметров. В случае больших радиусов кривизны наблюдалось примесное, не отклонившееся излучение.

Одним из возможных применений волноводов может стать техника рентгеновской голографии. Так, недавно, эта же группа ученых создала голограмму единичной бактерии с разрешением 50 нанометров. Для этого авторам потребовалось создать очень сложную и масштабную установку. Как утверждают исследователи, с новым волноводам удалось бы добиться большего разрешения голограммы с установкой меньших размеров. 

Оборудование для рентгеновской оптики сильно отличается от классических линз и зеркал. Так, для фокусировки излучения используются стеклянные волноводы с очень большим радиусом кривизны, формирующих конструкцию, напоминающую по форме сигару. Вместо зеркал используются многослойные изогнутые пластинки, причем достигаемые углы отражения также невелики, а большая доля излучения при этом может теряться.