Сaмый мoщный в мирe рeнтгeнoвский лaзeр LCLS (Linac Coherent Light Source) дaвнo испoльзуeтся учeными для прoвeдeния исслeдoвaний микрoскoпичeскoгo мирa, явлeний и прoцeссoв, прoисxoдящиx нa атомарном и молекулярном уровнях. В прошлом при помощи этого лазера ученым удалось создать минизвезду в лаборатории, а буквально недавно им удалось, сконцентрировав весь луч рентгена на единственном атоме, получить нечто кардинально противоположное, то, что можно охарактеризовать термином «молекулярная черная дыра».
Съемка, производимая при помощи лазера LCLS, позволяет получать снимки с высочайшей разрешающей способностью, «фигурантами» которых являются вирусы, бактерии, молекулы белков и других химических соединений. Эта система работает, освещая цель чрезвычайно ярким импульсом рентгена, длящимся всего несколько фемтосекунд (миллионной от миллиардной доли секунды). В данном случае ученые использовали дополнительное оборудование, которое позволило сфокусировать весь рентгеновский луч в точке, размером 100 нанометров, в 100 раз меньших размеров, чем обычно позволяет оборудование лазера. Целью этого мероприятия было изучение реакции отдельных атомов на воздействие полной энергии, которую способен выработать лазер LCLS. А созданная «молекулярная черная дыра» стала весьма интересным побочным эффектом проводимого эксперимента.
«Интенсивность полученного сфокусированного рентгеновского луча, для сравнения, в сто раз превышает интенсивность всего падающего на поверхность Земли солнечного света, сосредоточенного на площади, соответствующей площади небольшого фотоснимка» — рассказывает Себастьен Бутет (Sebastien Boutet), один из исследователей.
В эксперименте энергия импульса рентгеновского лазера воздействовала на атомы ксенона, вокруг ядра которого вращается 54 электрона, и атомы йода, в которых содержится 53 электрона. Ожидалось, что под воздействием рентгена из атома будут «изгнаны» самые близкие к ядру атома электроны, что приведет к возникновению так называемых «полых» атомов. Такие полые атомы существуют непродолжительное время, прежде чем электроны с внешних слоев, словно дождь, падают вниз к ядру, заполняя образовавшиеся промежутки. И следующий импульс рентгена снова «сносит» эти электроны, оставляя пустой промежуток.
Ученые получили ожидаемый эффект в случае с атомами ксенона, но в случае с атомами йода произошло нечто необычное. Атомы обоих типов являлись частями молекул более сложных соединений, и когда атомы йода попали под импульс рентгена, они превратились в аналог черной дыры, которая начала «высасывать» электроны из близлежащих атомов углерода и водорода. Эти электроны заполняли образовавшуюся пустоту и были «изгнаны» следующим импульсом лазера, что привело к полному разрушению «подопытной» молекулы.
Ученые ожидали, что из отдельно взятого атома йода при помощи рентгена можно «изгнать» 47 электронов. На самом же деле из этого атома было изгнано 54 электрона, часть из которых являлась электронами, «позаимствованными» у соседних атомов. «Мы подозреваем, что из атома йода было изгнано более 60 электронов» — рассказывает Артем Руденко (Artem Rudenko), ведущий исследователь, — «Но из каких именно атомов были позаимствованы лишние электроны, мы не знаем, ведь молекула развалилась прежде, чем мы смогли это выяснить. И это является одним из вопросов, ответ на который мы постараемся получить в ближайшее время».
Несмотря на то, что воздействие рентгена на атом йода привело к весьма необычным эффектам, все произошедшее пока укладывается в рамки существующих теоретических моделей. Другими словами, такой подход можно будет использовать и для изучения более сложных атомарных и молекулярных систем. Все преимущества данного подхода будут раскрыты после проведения процесса модернизации лазера LCLS. После этой модернизации лазер LCLS-II будет способен вырабатывать не 120 импульсов рентгена в секунду, а целый миллион импульсов за этот же промежуток времени.
