Как Нобелевская идея помогла увидеть движение электронов: новый метод в физике

Представьте, что вы пытаетесь сфотографировать колибри в полете. Но не просто сфотографировать, а запечатлеть каждое отдельное биение её крошечных крыльев. Задача почти невыполнимая из-за невероятной скорости. Теперь уменьшите эту колибри в миллиарды раз, до размеров атома, а её крылья замените электронами, которые «перепрыгивают» с одной орбиты на другую. Эти «прыжки» и есть суть всех химических реакций — от горения спички до синтеза белка в наших клетках.

Увидеть этот танец электронов в реальном времени — давняя мечта химиков и физиков. И, похоже, международная команда учёных сделала к ней гигантский шаг. Они не просто создали более мощный «микроскоп», а придумали, как извлечь кристально чистую информацию из того, что раньше считалось досадным шумом.

Проблема масштаба: почему это так сложно?

Чтобы понять масштаб прорыва, нужно осознать две главные трудности.

Во-первых, скорость. Электронные процессы происходят за фемтосекунды. Одна фемтосекунда — это квадриллионная доля секунды. Это настолько быстро, что за одну секунду свет успевает пролететь от Земли до Луны и обратно почти 400 раз, а за одну фемтосекунду он едва преодолеет толщину человеческого волоса. Обычные методы тут бессильны.

Во-вторых, энергия. Электроны в атоме могут находиться на разных энергетических уровнях, словно на ступеньках лестницы. Химические свойства вещества определяются тем, насколько легко электрон может «перепрыгнуть» с одной ступеньки на другую. Часто эти «ступеньки» расположены так близко друг к другу, что для стандартных приборов они сливаются в одно размытое пятно. Различить их — всё равно что пытаться прочитать две строчки текста, написанные одна поверх другой.

Рентген со сверхспособностями и немного гениальной анархии

Решение пришло из Германии, где находится уникальная научная установка — Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL). Это гигантский ускоритель, способный генерировать сверхкороткие и невероятно интенсивные импульсы рентгеновского излучения. Именно он стал инструментом для нового метода, названного стохастическим вынужденным рентгеновским комбинационным рассеянием (s-SXRS).

Звучит сложно, но идея в своей основе гениальна. В чём же хитрость?

Традиционно учёные стремились получить идеально ровный, стабильный и предсказуемый луч лазера для своих экспериментов. Любые случайные колебания интенсивности — так называемый «шум» — считались помехой, от которой нужно избавляться. Но создатели нового метода решили пойти от противного. Они сказали: «А что, если этот шум — не помеха, а ключ?»

Представьте, что вы слушаете оркестр через плохой радиоприемник с постоянными помехами. Вы можете попытаться отфильтровать шум, но что если каждая помеха (случайное усиление или ослабление сигнала) уникальным образом влияет на звучание определённого инструмента? Анализируя, как именно меняется звук в ответ на каждую случайную помеху, вы сможете выделить партию каждого инструмента гораздо точнее, чем если бы просто слушали «грязную» запись.

Именно это и сделали учёные. Они направили «шумный» рентгеновский пучок на атомы неона. Каждый микроимпульс внутри общего потока имел свою, слегка отличающуюся интенсивность. Проходя через газ, эти импульсы заставляли электроны в атомах неона «отвечать» — испускать собственный сигнал, так называемый рамановский. Этот ответный сигнал был усилен почти в миллиард раз.

Ключевой момент — статистический анализ. С помощью мощных компьютеров исследователи сопоставили каждый случайный всплеск на «входе» (в первоначальном рентгеновском луче) с ответным всплеском на «выходе» (в рамановском сигнале). Эта связь позволила им с невероятной точностью определить положение тех самых близкорасположенных энергетических «ступенек», которые раньше сливались в кашу.

Привет от Нобелевских лауреатов

Этот подход — извлечение сверхточных данных из размытого изображения — не является абсолютно новым в науке. Как отмечает один из авторов исследования Томас Пфайфер, он идейно схож с методом, за который в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Тогда учёные научились преодолевать дифракционный предел в оптической микроскопии. Проще говоря, они смогли разглядеть объекты меньше, чем позволяет длина световой волны, находя точный центр размытого светового пятна.

Здесь происходит нечто похожее, но не в пространстве, а в энергетическом спектре. Учёные находят точный центр широкого, «размытого» энергетического пика, тем самым достигая сверхвысокого разрешения там, где, казалось бы, его быть не может. Случайность, которую раньше пытались искоренить, стала ценнейшим ресурсом.

Что это даёт на практике? От атомов к технологиям будущего

«Мы лишь начинаем прикасаться к поверхности того, чего можем достичь», — говорит профессор Линда Янг. И это не просто красивые слова. Возможность в деталях наблюдать, как образуются и рвутся химические связи, открывает поразительные перспективы.

• Новые материалы. Понимая, как именно расположение электронов влияет на свойства вещества, можно целенаправленно создавать материалы с заранее заданными характеристиками: сверхпрочные, сверхлёгкие или с уникальными электронными свойствами для будущих поколений электроники.
• Эффективные катализаторы. Катализаторы ускоряют химические реакции, от производства пластмасс до очистки выхлопных газов. Новый метод позволит понять, как они работают на самом фундаментальном уровне, и создавать более эффективные и дешёвые их аналоги.
• Солнечная энергетика. Процесс преобразования света в энергию в солнечных батареях — это чистая квантовая химия. Детальное понимание этих процессов поможет создавать фотоэлементы с гораздо более высоким КПД.

По сути, этот прорыв даёт учёным инструкцию по эксплуатации материи на самом базовом уровне. Вместо того чтобы действовать методом проб и ошибок, они получают возможность проектировать химические реакции. Это захватывающее время, когда фундаментальная наука, ведомая чистым любопытством, прокладывает дорогу технологиям, которые однажды изменят наш мир. И всё это — благодаря умению слушать не только сигнал, но и шум.