Европейские физики смогли измерить сигнал вихревого дихроизма у молекулярного комплекса с помощью закрученного рентгеновского излучения. Для этого они пропускали рентген через спиральные зонные пластинки с различным топологическим зарядом. Этот метод позволяет исследовать хиральность молекул точнее, чем методы на основе кругового дихроизма. Исследование опубликовано в Nature Photonics.
Квантовый подход к свету включается в себя сопоставление классических световых характеристик корпускулярным свойствам фотонов. Так, безмассовость фотона сохраняет лишь две возможные проекции его спина, равного единице, на направление движения. Оба этих состояния, называемых спиральностью, соответствуют правой и левой круговой поляризации света. Другое чисто корпускулярное свойство, свойственное частицам с массой, а именно орбитальный момент, обнаружили у света сравнительно недавно и стали активно исследовать. Сейчас физики уже научились делать его переменным, а также запутывать.
Спиральность света стала мощным инструментом исследования хиральности (свойство объекта не совмещаться с самим собой при зеркальном отражении). Хиральными могут быть молекулы, квантовые точки и даже атомы, проявляя себя через круговой дихроизм, то есть чувствительность к спиральности света. Однако круговой дихроизм, как и эффект поворота плоскости поляризации, тоже используемый для исследования хиральности, страдает от слабости сигнала по отношению к ахиральному шуму.
Такого недостатка могли бы быть лишены методы, основанные на винтовом дихроизме, то есть чувствительности к орбитальному моменту. В отличие от кругового дихроизма, основанного на магнитно-дипольном взаимодействии объектов, например, молекул, со светом, винтовой дихроизм возникает из-за пространственных соотношений между фазой волны и электронной плотностью. Правда, метод ограничен тем, что масштабы фазовых неоднородностей у волн оптического диапазона много больше, чем характерный размер молекулярных орбиталей. Кроме того, для эффекта важно, чтобы молекула оказалась ровно в середине пучка, где находится сингулярность. Именно поэтому оптический винтовой дихроизм наблюдался лишь у агрегатов наночастиц и у хиральной микроструктуры.
Чтобы справиться с этим трудностями, физики из Италии, Франции и Швейцарии при участии Маджеда Черги (Majed Chergui) из Федеральной политехнической школы Лозанны решили использовать рентгеновское излучение. Закручивая его с помощью спиральных зонных пластинок с различными топологическими зарядами, они обнаружили ярко выраженный винтовой дихроизм у молекулярного комплекса, содержащего железо. Образцы при этом были разупорядочены.
Интенсивность того или иного перехода при поглощении фотонов определяется интегралом, содержащим волновые функции электрона и выражение для поля. Этот интеграл удобно раскладывать в ряд по мультиполям, представляя взаимодействие атома или молекулы со светом в виде суммы отдельных взаимодействий между диполем, квадруполем и так далее. Чем сильнее степень хиральности молекулы, тем больший порядок в разложения будет выделяться в этой сумме. Доступ к этим вкладам можно получить зачастую только с помощью закрученного света.
Для эксперимента физики выбрали метал-органический дикатионный молекулярный комплекс FeII(4,4′-диметил-2,2′-бипиридин)3, имеющий форму трехлопастного пропеллера с правой (Δ) или левой (Λ) конфигурацией. Для его стабилизации авторы использовали хиральный анион TRISPHAT. Они облучали порошки солей различной хиральности с помощью закрученного рентгеновского излучения из источника cSAXS, расположенного в Институте Пауля Шерера. Рентгеновские лучи были настроенны на край К-полосы атома железа, что соответствует фотонам с энергией 7,1 килоэлектронвольт или длиной волны 0,17 нанометров. Для фокусировки и приданию излучению орбитального момента физики использовали спиральные зонные пластинки, сделанные из золота, с топологическим зарядом ±1, ±3, ±4 а также обычные зонные пластинки, не закручивающие свет.
Для поиска винтового дихроизма физики исследовали околопороговую тонкую структуру рентгеновского спектра поглощения (XANES). Для этого они измеряли полный выход флуоресценции в направлении, перпендикулярном падающему лучу. Ученые строили сигнал винтового дихроизма как разницу в нормированных спектрах XANES, полученных при противоположных ориентациях орбитального момента различной величины. Если для топологического заряда, равного ±3, сигнал достигал 1-2 процентов, то для ±1 он доходил до пяти процентов, что много больше, чем типичные сигналы в экспериментах по оптическому и рентгеновскому круговому дихроизму. Сигнал же для ±4 оказался слишком шумным.
Результат эксперимента свидетельствует о том, что основной вклад в молекулярные орбитали исследованного комплекса дают члены низшего порядка в разложении по сферическим гармоникам. Однако в общем случае исследование сигнала винтового дихроизма в широком диапазоне значений орбитального момента способно увидеть и более тонкие угловые эффекты, если таковыми будет обладать переход.
Твердотельные зонные пластинки активно используются физиками, работающими с рентгеновским излучением, но они страдают от хроматических аберраций, а также неспособны выдержать слишком интенсивный поток. Для решения первой проблемы ученые изготавливают составные объективы, а для второй — предлагают формировать пластинки из плазмы.
Марат Хамадеев
Но предел на сечение этого процесса уже близок к теоретическому предсказанию
Немецкие ученые из эксперимента CONUS пока не смогли зарегистрировать упругое когерентное рассеяние реакторных антинейтрино на ядрах атомов германия (Ge). Однако полученный предел на сечение этого взаимодействия не более чем в два раза превосходит предсказание стандартной модели элементарных частиц. Результаты эксперимента представлены в препринте на arXiv.org.