Способ рентгеноструктурного анализа давно завоевал свое место в инструментарии химиков различных специальностей, позволяя определить взаимное расположением атомов в молекулярных и даже немолекулярных веществах. Результаты нового исследования позволяют надеяться, что РСА позволит заглянуть внутрь атомов.

Возможность слежения за электронами с помощью рентгеновских лучей декларируется в теоретическом исследовании Генри Суоминена (Henri Suominen) и Адама Киррандера (Adam Kirrander) из Университета Эдинбурга. Исследователи продемонстрировали, что существует принципиальная возможность применения очень интенсивных ультракоротких импульсов рентгеновского излучения, генерируемых лазером на свободных электронах (ЛСЭ) [free-electron laser (FEL)] для изучения движения электронов, перескакивающих между различными энергетическими состояниями атомов и молекул, в режиме реального времени. Если теоретические выкладки подтвердятся на экспериментальном уровне, новая методика сможет отслеживать движение электронов в биохимических процессах или в солнечных батареях, что, возможно, позволит разработать более эффективные оптические или электрохимические материалы.

Возбуждение атомов проводят с помощью лазера накачки (красный луч), а их анализ – с помощью рентгеновских импульсов (синий луч).

Киррандер и Суоминен рассчитали дифракционную картину, которая может образоваться в результате рассеивания рентгеновских лучей, сформированных в определенным образом подобранные волновые пакеты на электронах в экзотических атомах – атомах Ридберга. К атомам Ридберга относят атомы, в которых внешние электроны находятся в очень высоких энергетических состояниях, которые находятся гораздо выше, чем энергетические уровни внутренних электронов. Атомы Ридберга могут быть получены с помощью импульсов лазеров, которые могут возбуждать внешние электроны в составе атомов.

Мысль о том, что можно использовать импульсы лазера подкачки для создания определенных волновых пакетов и очень короткие импульсы рентгеновского излучения, генерируемые лазером на свободных электронах для получения серий дифракционных картин для электронов, по которым можно реконструировать их распределение. В качестве дифракционной решетки в этом случае выступает сам волновой пакет – квантовая суперпозиция отдельных волновых функций.

В качестве модели исследователи выбрали атомы Ридберга, так как для них перегруппировка волновых пакетов сравнительно медленна и происходит в течение нескольких пикосекунд, а электроны в обычных атомах и молекулах в результате фотохимического возбуждения перегруппировываются в сотни или даже тысячи раз быстрее. Более того, внешние электроны в атомах Ридберга отличаются орбитальными радиусами в сотни раз большими, чем орбитальные радиусы внутренних электронов, что еще в большей степени упрощает отслеживание изменений электронной плотности, вызванной рассеиванием на электронах Ридберга, чем движением электронов в меньшей по размеру и более плотной внутренней электронной плотности. Киррандер и Суоминен продемонстрировали, что для полученных из аргона атомов Ридберга волновые пакеты с определенной модуляцией могут использоваться для определения распределения электронной плотности через интервалы в 6 пикосекунд.

Орион Вендрелл (Oriol Vendrell) из исследовательского центра по физике частиц DESY в Германии заявляет, что, возможно, в скором времени будет поставлен эксперимент по проверке теоретических выкладок. Он добавляет, что главная сложность будет заключаться в том чтобы детектор зафиксировал достаточное количество сигналов для расшифровки картины рассеивания.

Тем не менее, возможно ли будет отследить процессы, связанные с изменением электронной плотности, для менее экзотических систем, чем атомы Ридберга? Как отмечает Киррандер, длительность импульса лазеров на свободных электронах недостаточна для изучения процессов, которые протекают с большей скоростью, чем это характерно для динамики Ридберга. Вендрелл соглашается с тем, что в настоящее время ЛСЭ не может предоставить возможность отследить перемещение электронной плотности в процессе протекания настоящей химической реакции.