В исследовании, недавно опубликованном в Journal of Synchrotron Radiation, исследователи из Университета Осаки в сотрудничестве с RIKEN и Японским научно-исследовательским институтом синхротронного излучения (JASRI) уменьшили диаметр луча в рентгеновском лазере на свободных электронах до 6 нанометров в ширину. Это значительно улучшает использование этих лазеров для визуализации структур, более близких к атомному уровню, чем это было возможно в предыдущей работе.
Чтобы «увидеть» чрезвычайно маленькие и в противном случае невидимые объекты, а также наблюдать сверхбыстрые химические процессы, исследователи обычно используют оборудование для синхротронного рентгеновского излучения.
Рентгеновские лазеры на свободных электронах являются альтернативой, которая в принципе может отображать детали атомарного масштаба, например, вирусной частицы, в масштабе времени электронного перехода, не повреждая частицу. Для этого вам понадобится невероятно яркий рентгеновский лазер, который фокусирует чрезвычайно быстрые лазерные импульсы нанометрового масштаба.
«Используя многослойные фокусирующие зеркала, мы сузили ширину нашего лазерного луча до диаметра 6 нанометров», – говорит ведущий автор исследования Такато Иноуэ. "Это не совсем диаметр типичного атома, но мы добиваемся хороших результатов."
До сих пор было трудно сфокусировать рентгеновские лазеры на свободных электронах до таких малых диаметров. Это из-за проблем с изготовлением необходимых зеркал и подтверждением сфокусированного размера лазеров.
Группа исследователей решила проблему фокусировки, проанализировав форму интерференционных картин лазера, известных как профили спеклов.
«Мы создали профили спеклов с помощью когерентного рассеяния рентгеновских лучей случайно распределенных металлических наночастиц», – объясняет Сатоши Мацуяма, старший автор. "Это позволило провести экспериментальные измерения профиля лазерного луча, которые хорошо согласуются с теоретическими расчетами."
Поскольку диаметр лазерного луча можно точно измерить, теперь возможны дальнейшие улучшения.
Например, используя атомы для анализа рассеяния, измерения с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах можно улучшить до 1-нанометрового фокуса.
Исследователи ожидают, что лазеры чрезвычайно высокой интенсивности, более чем в миллион триллионов раз ярче, чем Солнце, теперь будут полезны для визуализации сверхбыстрых молекулярных процессов – с детализацией в атомном масштабе – которые выходят за рамки возможностей самых передовых синхротронов.
С помощью такой технологии можно визуализировать белковые молекулы и другие небольшие важные биологические объекты, не повреждая их, с помощью стратегии «дифракция перед разрушением» с помощью одного лазерного импульса.