Физики разорвали фуллерен рентгеновским лазером
Физики впервые детально изучили в динамике разрушение фуллерена C60 под действием сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения. Оказалось, что возмущение приводит к образованию значительной ионизации молекулы, но ее разрыв происходит спустя заметное количество времени, а среди осколков наблюдается множество нейтральных атомов углерода. Результаты важны для интерпретации большинства методов определения структур молекул при помощи рентгеновских лучей, пишут авторы в журнале Nature Physics.
Во многих областях науки, например в биохимии, требуется знание структуры сложных молекул, как правило органических, из которой можно определить точную функцию вещества. Для наиболее разработанного метода изучения, рентгеноструктурного анализа, необходимо синтезировать твердый кристалл вещества, осветить его рентгеновским излучением и проанализировать получившуюся дифракционную картину. Кристаллизация многих веществ, однако, остается трудной задачей, поэтому ученые пытаются разработать новые подходы.
В работе физиков из США, Европы и Японии под руководством Норы Берра (Nora Berrah) из Университета штата Коннектикут были детально изучены возможности метода определения структур молекул на основе их разрушения лазерными импульсами. В качестве мишени ученые выбрали фуллерен C60 — одну из простейших молекул с замкнутой трехмерной структурой. Связи между атомами в нем формируются в правильные пяти- и шестиугольники — примерно как на классическом футбольном мяче Adidas Telstar. C60, с одной стороны, достаточно прост (симметричен и состоит из одного типа атомов), а с другой, сильно напоминает органические соединения, у которых связи между атомами углерода образуют основу структуры.
Ученые комбинировали эксперименты с численным моделированием взаимодействия. Авторам удалось наблюдать процесс распада молекулы с временным разрешением порядка 10 фемтосекунд. Процесс запускали импульсом рентгеновского лазера длительностью около 20 фемтосекунд, полученным на установке LCLS (Linac Coherent Light Source) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США.
Оказалось, что импульс выбивает электрон примерно у каждого пятого атома, однако это не приводит к мгновенному взрыву фуллерена: разрушался он медленнее, чем ожидали исследователи. Распад начинался спустя несколько десятков фемтосекунд, а весь процесс занимал порядка 600 фемтосекунд, что менее триллионной доли секунды, но значительно больше длительности импульса и может быть уверенно измерено с использованием современного оборудования.
«Происходящее нельзя назвать настоящим взрывом. Вместо этого фуллерен распадается относительно медленно, — говорит один из руководителей коллетива Роберт Сантра (Robin Santra) из немецкого института DESY. — Атомы углерода постепенно испаряются, причем нейтральных атомов получается гораздо больше, чем заряженных, что весьма удивительно. Обычно из молекулы вылетает около 25 нейтральных и всего 15 заряженных атомов, а остальные формируют группы по несколько штук».
Результаты работы пригодятся при анализе других связанных с рентгеновским излучением методов исследования молекул. В частности, кристаллы белков часто испаряются под действием вспышки энергетических электромагнитных волн, а детальное понимание динамики этого процесса поможет обосновать выводы рентгеноструктурного анализа.
Ранее ученые смогли разглядеть микрокристаллы со всех сторон при помощи электронного томографа, определили структуру биомолекул при помощи дифракции на некачественных кристаллах и вырастили рекордно большой лист «белого графена».
Тимур Кешелава
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.