Цивилизация
Сотрудники Сибирского федерального университета вместе с зарубежными коллегами впервые ускорили вращение молекулы и зафиксировали явление с помощью рентгеновских лучей. Это поможет ученым управлять сверхтонким рентгеновским «скальпелем», чтобы разрезать молекулы. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, а ее результаты были опубликованы в журнале PNAS.
Одним из направлений рентгеновской физики считается контроль динамики движения молекул, в частности их вращения, который относится к фундаментальным аспектам физики и химии. Для этого ученые исследуют электронную структуру молекул, то есть то, как расположены электроны на разных оболочках их атомов. За работу в этой области в 1924 году швед Манне Сигбан получил Нобелевскую премию по физике: он использовал методы рентгеновской спектроскопии и с их помощью впервые полностью описал структуру электронной оболочки атома. Его сын, Кай Сигбан, продолжил работу отца и добился сверхвысокого разрешения оболочки. За это он тоже получил Нобелевскую премию, уже в 1981 году.
В своей работе ученые использовали специальный тип рентгеновской спектроскопии, в котором рентгеновский фотон, поглощенный молекулой, выбрасывал из нее глубокий 1s-электрон. Созданное нестабильное высоковозбужденное состояние молекулы распадалось спустя очень короткое время. Высвободившаяся при этом распаде энергия приводила к выбросу из молекулы так называемого оже-электрона, который регистрировал детектор.
Ученые долгое время считали, что с помощью такого метода невозможно обнаружить вращение молекул, так как оно очень медленное по сравнению с длительностью исследуемого рентгеновского процесса. То есть поглощение фотона и испускание оже-электрона происходили слишком быстро, чтобы зафиксировать медленное вращение. Чтобы ускорить вращение молекулы, ученым нужно было передать ей большой угловой момент – количество вращательного движения.
«В своей работе мы рассказали о новом эффекте, который впервые позволил наблюдать динамику молекулярного вращения в рентгеновских спектрах. Для этого мы перевели молекулу углерода в состояние сверхбыстрого вращения, ионизировав ее фотонами большой энергии», – рассказал Фарис Гельмуханов, один из авторов статьи, доктор физико-математических наук, профессор Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), старший научный сотрудник Сибирского федерального университета.
Ученые преобразовали молекулу углерода в ион с помощью жестких рентгеновских фотонов с энергией около 10 кэВ. У таких фотонов длина волны очень короткая, поэтому они ведут себя подобно «вещественным частицам» – электронам или протонам.
После облучения фотоэлектрон, как снаряд, вылетел из атома углерода и передал ему большой импульс отдачи. Так он привел молекулу в сверхбыстрое вращение с эффективной вращательной температурой, близкой к температуре на поверхности Солнца – около 10 000 оС. Благодаря сверхбыстрому вращению молекула могла повернуться на заметный угол за короткое время рентгеновского процесса.
Кроме того, авторы определили угол этого поворота с помощью оже-электрона, выбившегося из молекулы на восемь фемтосекунд позднее. Оже-электроны – это частицы, которые вылетают из молекулы, как только на одной из ее внутренних оболочек появляется свободное место. Варьируя энергию рентгеновского фотона и, как следствие, скорость вызванного вращения, ученые смогли отобразить на экране динамику этого вращения.
Авторы отмечают, что эта работа фундаментальная, и ее основное практическое применение – рентгеновская фотохимия, которая изучает химические превращения под воздействием света. С помощью результатов исследования ученые смогут разработать новые подходы к управлению химическими реакциями рентгеновским светом, который служит сверхтонким «скальпелем» атомарных размеров. Им можно разрезать молекулу вблизи заданного атома.
«Следующий этап исследований – распад молекулы в процессе ионизации фотонами с энергией больше 10 кэВ. Вылет ускоренного фотоэлектрона приведет молекулу в состояние сверхбыстрого вращения. В этом случае мы ожидаем разрыв химической связи за счет центробежной силы. Его механизм сходен с механизмом разрыва нитки, на конце которой привязан вращающийся грузик», — заключил Фарис Гельмуханов.
