Лазер поможет сделать из поры в твердом теле нанопульсар
Группа физиков-теоретиков обнаружила, что облучение сферической поры внутри твердого вещества мощными лазерными импульсами может привести к ее схлопыванию с образованием очень плотного протонного ядра. Поскольку в результате электростатического взаимодействия протоны стремятся разлететься обратно, то при постоянном облучении в такой системе будет возникать колебательная система, пишут ученые в Scientific Reports.
Известно, что что при облучении твердого тела очень короткими и мощными лазерными импульсами в нем могут образовываться ионы с высокой энергией. Сейчас полученные таким образом ионы предлагают использовать как при фундаментальных исследованиях, так и, например, в медицинских приборах, например при терапии раковых опухолей. В самые интенсивных на сегодняшний день лазерных пучках, которые удается получить в лабораторных условиях, удельная мощность импульсов достигает 1022 ватт на квадратный сантиметр. Если облучать таким лазером твердое тело, то небольшой его участок может превратиться в облако плазмы, а электроны в возникшем поле будут двигаться по необычным зигзагообразным траекториям.
Физики-теоретики из Японии и США под руководством Масакацу Мураками (Masakatsu Murakami) из Осакского университета обнаружили, что такие короткие сверхмощные лазерные импульсы можно использовать для наблюдения еще одного необычного эффекта. Если облучать ими твердое тело, в химическом составе которого присутствует водород, а в структуре — небольшие сферические поры микрометрового размера, то фемтосекундные лазерные импульсы мощностью от 1020 до 1022 ватт на квадратный сантиметр приводят к схлопыванию пор и образованию на их месте очень концентрированного ядра протонов.
С помощью численного моделирования ученые показали, что при облучении газовая полость наполняется высокоэнергетическими электронами с энергией от 10 до 100 мегаэлектронвольт, при этом образующиеся протоны собираются на стенке поры. Концентрация заряженных частиц в такой системе может достигать примерно 1023 штук на кубический сантиметр, в результате чего за счет электростатического притяжения со стороны электронов протоны начинают ускоряться, и полость быстро схлопывается. В результате такого быстрого сжатия в центре бывшей поры образуется очень плотное ядро, состоящее из одних протонов. Плотность протонов в этом ядре близка, например, к их плотности внутри белых карликов, поэтому под действием образовавшегося поля очень высокой напряженности протоны вновь разлетаются в разные стороны, восстанавливая пору в практически изначальном виде.
Если поддерживать интенсивность облучения лазерными импульсами на постоянном уровне, то такой процесс переходит в колебательный режим, и пора может многократно сжиматься и растягиваться обратно, образуя своеобразный нанопульсар. Предложенный механизм ученые промоделировали для твердого водорода, однако утверждают, что подобный эффект будет характерен и для других соединений, содержащих водород, в частности, для гидридов различных элементов.
По словам авторов работы, современные технологии уже сейчас позволяют повторить полученные результаты и в эксперименте. При этом, однако, ученые отмечают, что для того, чтобы предложенный ими механизм мог быть реализован, микропора в твердом теле должна обладать сферической симметрией. То есть в материалах, содержащих большое количество связанных друг с другом пор неправильной формы, такое схлопывание происходить не будет. Физики утверждают, что практическая реализация этого эффекта может быть использована как для изучения фундаментальных физических явлений, связанных, например, с поведением протонов в звездах, так и для практических целей: терапии рака или синтеза новых веществ.
Использование высокоэнергетических лазерных пучков может быть использовано для большого количества различных задач. Например, два года назад группа физиков под руководством одного из соавторов этого исследования Алексея Арефьева предложила облучать петаваттным инфракрасным лазером пластиковую мишень для получения интенсивных пучков гамма-лучей.
Александр Дубов
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».