Увидеть значит уничтожить

Нанометровые объекты фотографируются тераваттным импульсом, но длящимся не более десятка фемтосекунд

Фемтосекундный импульс мягкого рентгеновского излучения падает на мишень (слева) с характерными размерами в 20 мкм. Импульс моментально сжигает мишень, однако он успевает «запомнить» иноформацию о ней, которую можно у него «отобрать» и сохранить (в середине). По получившейся картинке детали исходной мишени можно восстановить довольно точно (справа). Иллюстрация: Henry N. Chapman, Anton Bart, Michael J. Bogan et al. Femtosecond diffractive imaging with a soft-X-ray free-electron laser // «Nature Physics» online publication. 12 November 2006 (справа и слева); © DESY, Hamburg (в центре)

Рассматривать очень мелкие объекты довольно трудно, и тому есть множество причин, из которых две — главные. Во-первых, рассмотреть мелкие детали можно, только пользуясь соответственно коротковолновым излучением. Длина волны падающего на объект света не может превосходить линейные размеры самой мелкой его детали, иначе получающаяся картинка расплывется и размоется. Значит, для этого нужны источники коротковолнового электромагнитного излучения. Но, и это во-вторых, энергия всякого излучения может поглощаться только квантами, и каждый такой квант тем больше, чем меньше длина волны. Вот и получается, что при попытках увидеть нечто по-настоящему маленькое либо ничего не видно из-за того, что свет слишком «тусклый», либо свет ярок настолько, что сжигает рассматриваемое.

Сочетание этих двух сложностей кажется непреодолимым. И все-таки это не так. Эти две трудности можно — пусть не то, чтобы преодолеть, но по крайней мере обойти. В некоторых специальных условиях. Правда, для этого нужны довольно специальные источники электромагнитного излучения.

Отсутствие нужных рентгеновских источников долго сдерживало развитие рентгеновской кристаллографии. Теоретически идеально бы подошел лазер, работающий в рентгеновском диапазоне, и в 1980-е годы над созданием таких лазеров активно работали в разных странах. Даже проводились первые испытания, но вовсе не в связи с рентгеновской кристаллографией, а в качестве основного компонента программы звездных войн.

Однако примерно в то же самое время теоретически было показано, что, используя рентгеновский лазер, можно получить дифракционную картинку высокого разрешения от объектов размером в нанометры и микрометры — причем объектов, не обладающих периодичностью типа периодичности кристаллической решетки. Информация же о строении таких объектов очень важна и для медицины, и для биологии, и для материаловедения. А уж располагая детальной дифракционной картинкой, можно восстановить информацию о структуре изучаемого объекта.

«Боковое» движение света

Явление, именуемое дифракцией, стало известно только в начале XVII века. При том, что об отражении и преломлении света было известно еще со времен античности. О том, что у света есть еще и «третий способ» распространения, стало известно профессору-иезуиту Франческо Марии Гримальди (Francesco Maria Grmaldi, 1613–1663) — он назвал его «боковым».

В наши дни дифракцию можно наблюдать невооруженным глазом. Достаточно покачать в руках оптический компакт-диск, чтобы увидеть раскачивающиеся радужные полосы. Луч лазера при записи информации вырезает на зеркальной поверхности диска микроскопические борозды, ширина которых сопоставима с длиной волны видимого света. Из-за дифракции лучи разной длины волны отражаются от поверхности диска под разными углами, и кажется, что диск переливается всеми цветами радуги, по мере того как вы его поворачиваете.

Борозды на поверхности диска действуют как своеобразная дифракционная решетка — неотъемлемая часть лабораторного практикума по физике и в любом вузе физической или технической направленности и в продвинутой средней школе. Луч лазера падает на решетку, а на экране позади него возникает дифракционная картина, состоящая из светлых и темных полос. Если знать параметры решетки, то можно определить длину волны лазерного излучения. Ту же задачу можно решить и наоборот: если известна длина волны, то дифракционная картина позволит вычислить параметры решетки. Лабораторная работа «Изучение дифракции с помощью лазера» — отличный способ со всей наглядностью освоить методы, с помощью которых физики изучают структуру вещества.

Дифракционная картина, возникающая на обыкновенной щели, выглядит как чередующиеся темные и светлые полосы, параллельные щели. Если щелей две, и они пересекаются в виде креста, то и дифракционная картина получается сложнее. Фото: © DESY, Hamburg

Эти методы были разработаны еще в начале ХХ столетия; в апреле 1912 года в Мюнхенском университете физик Макс фон Лауэ (Max von Laue, 1879–1960) продемонстрировал дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах медного купороса. Проходя сквозь кристаллическую решетку, лучи испытывают дифракцию, и в результате на фотопластинке возникает дифракционная картина, выглядящая как совокупность светлых и темных точек.

Главная цель опытов Лауэ заключалась в доказательстве его собственной гипотезы, согласно которой рентгеновские лучи являются разновидностью электромагнитных волн. И именно дифракция рентгеновских лучей была убедительным свидетельством их волновой природы. В 1914 году работы Лауэ были удостоены Нобелевской премии по физике и именно с ними связывают рождение нового раздела физики — рентгеновской кристаллографии.

Рентгеновская кристаллография стала возможной только после того, как удалось доказать, что получающиеся на фотопластинке темные пятна могут быть снова превращены в кристаллическую решетку. Задача восстановления параметров рассеивающего тела по результатам рассеяния (обратная задача теории рассеяния) оказалась довольно сложной с математической точки зрения: вовсе не было уверенности в том, что такое восстановление может быть выполнено единственным образом.

Тем не менее новое направление экспериментальной физики вполне успешно развивалось, и уже в следующем, 1915 году Нобелевская премия по физике вновь была присуждена за работы по рентгеновской кристаллографии. Отец и сын Брэгги (Sir Willam Henry Bragg, 1862–1942, William Lawrence Bragg, 1890–1971) были удостоены высшей награды научного сообщества «за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей». Наблюдая дифракционную картину после дифракции рентгеновских лучей на кристалле поваренной соли, они установили, что поваренная соль (химическая формула NaCl) состоит не из молекул NaCl, а из расположенных определенным образом атомов натрия и атомов хлора.

Впоследствии именно методы рентгеновской кристаллографии позволили Джону Кендрю (John Cowdery Kendrew, 1917–1997) и Максу Перуцу (Max Ferdinand Perutz, 1914–2002) определить молекулярную структуру аминокислот (Нобелевская премия по химии 1962 года), а Дороти Ходжкин (Dorothy Crowfoot Hodgkin, 1910–1994) — молекулярную структуру пенициллина (Нобелевская премия по химии 1964 год).

Скандальную известность приобрела история Розалин Франклин (Rosalind Franklin, 1920–1958). В начале 1950-х мисс Франклин работала в лаборатории Мориса Уилкинса (Maurice Hugh Frederick Wilkins, 1916–2004), и ей удалось, в частности, сделать высококачественные рентгеновские снимки молекулы ДНК. Уилкинс, не имея на то формального разрешения Франклин, показал ее снимки Фрэнсису Крику (Francis Harry Compton Crick, 1916–2004) и Джеймсу Уотсону (James Dewey Watson, р. 1928). И именно эти снимки стимулировали Уотсона и Крика на построение трехмерной модели молекулы ДНК — знаменитой двойной спирали. А в 1962 г. Уилкинс, Крик и Уотсон получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Розалин Франклин к тому времени умерла…

Ондулятор — это основная часть рентгеновского лазера на свободных электронах. Он представляет собой пятиметровую линейку постоянных магнитов чередующейся полярности. Вылетающий из ускорителя пучок свободных электронов начинает быстро извиваться в создаваемом ими магнитном поле. Возникающее синхротронное излучение и служит «лучом лазера». Фото: Lawrence Berkeley National Laboratory

Жесткий лазер

Тем не менее проблема номер один оставалась долго не решенной. Создать лазер с достаточно коротковолновым (или, как говорят физики, «жестким») излучением не удавалось. Только шесть лет назад сайты научных новостей сообщили о начале работ по созданию рентгеновского лазера на свободных электронах. Яркость его излучения должна была в 10 миллиардов раз превысить яркость всех известных в то время источников рентгеновского излучения.

Центром разработок стала Стэнфордская лаборатория линейных ускорителей (Stanford linear accelerator center) в США; сообщалось также, что в работе по созданию лазера участвуют российские физики — сотрудники РНЦ «Курчатовский институт». А в ноябре 2006 года в журнале Nature появилась статья о первых экспериментах, проведенных с использованием нового лазера. У статьи тридцать четыре (!) соавтора, вместе они представляют три страны (США, Германию и Швецию) и семь исследовательских организаций, среди которых Ливерморская национальная лаборатория (именно в ней разрабатывались рентгеновские лазеры для звездных войн), Лаборатория молекулярной биофизики из университета Упсала в Швеции, и Стэнфордская лаборатория синхротронного излучения.

В экспериментах изучалась дифракция короткого лазерного импульса, частота которого относится к так называемому «мягкому» рентгену, на нанообъекте. Основная проблема, вставшая перед разработчиками эксперимента, была обусловлена как раз уникальными параметрами нового лазера. Это так только называется «мягкий рентген». На самом деле, сверхмощное лазерное излучение неизбежно должно было разрушить тот объект, который предстояло с его помощью исследовать. Расчеты показывали, что разрушение объекта начнется приблизительно на десятой фемтосекунде (фемтосекнуда = 10^–15 секунды) с того мгновения, когда передний фронт импульса достигнет объекта.

Импульс лазерного излучения должен был быть поэтому очень коротким по времени — только в этом случае можно было успеть зафиксировать дифракционную картинку прежде чем исследуемый объект превратится в плазму. В итоге длительность импульсов удалось довести до 25 фемтосекунд, Один импульс содержал 10¹² фотонов, длина волны излучения составила 32 нанометра. А интенсивность достигла 4.10¹³ Вт/см². Отметим также, что в процессе превращения образца в плазму его температура достигала 60 000 К. Однако в тех случаях, когда исходное изображение было точно известно, можно было видеть, что реконструированное по дифракционной картине изображение не отличалось от исходного, из чего следовало, что никаких повреждений за время формирования дифракционного рисунка образец получить не успел.

Устройство, создающее фокусированный пучок ионов (focused ion beam tool) и позволяющее вырезать «картинки» микрометрового размера, без труда умещается на офисном столе. Фото: National Center for Electron Microscopy

Детали проведенного эксперимента стоят того, чтобы на них остановиться поподробнее. На рисунке показана схема экспериментальной установки. Образец представлял собой мембрану из нитрида кремния, в которой фокусированным пучком ионов прорезается рисунок. Пучок ионов создается специальным устройством (focused ion beam tool), разработанным в Национальном центре электронной микроскопии Лоуренсовской Национальной Лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory). Луч лазера проходил через образец, испытывал дифракцию, после чего отражался от слоистого зеркала. Далее исходные рисунок предстояло восстановить по его «дифракционному изображению».

Для того, чтобы записи дифракционной картины ничто не мешало, принимались специальные меры: экспериментальная установка помещалась в глубокий вакуум, материал отражающей поверхности слоистого зеркала подбирался так, чтобы обеспечить максимальный коэффициент отражения для рентгеновского излучения и минимальный коэффициент отражения для излучения теплового, поскольку именно тепловое излучение исходило от плазмы, в которую превратился образец за время прохождения лазерного импульса, а оно могло внести искажения в записываемую дифракционную картину.

Несмотря на дифракцию, большая часть энергии импульса уносилась вперед. После того, как образец сожжен, эта энергия уже не нужна. Она спокойно покидает установку через отверстие в центральной части зеркала. Благодаря этому не участвовавшие в дифракции волны не оказывали влияния на дифракционную картинку.

Что же касается «дифрагировавших» на объекте волн, то они отражались от зеркала на «экран», представлявший собой специальный чип, содержащий 1300 на 1340 квадратных пикселей размерами 20 х 20 микрон каждый. Снимаемая с чипа информация по сути дела представляла собой «оцифрованную» дифракционную картинку. На основе этой информации и было реконструировано изображение объекта. Авторы статьи отмечают определенное сходство своего метода и голографии.

Луч лазера несет практически всю информацию об уничтоженном объекте в дифракционной картине, а почти всю энергию — в компоненте, рассеянной вперед. Слоистое зеркало с отверстием по центру позволяет записать первую и удалить вторую. Фото: © DESY, Hamburg

Адекватность используемой в эксперименте методики нужно было, безусловно, как-то проверить. Для этого изображение исследуемого объекта было получено независимым путем, с помощью сканирующего электронного микроскопа. Отличий от изображения, восстановленного по дифракционной картинке, зафиксировано не было, а потому методика эксперимента была признана вполне корректной.

Принципиальный вопрос качества метода в том минимальном размере, который удается таким образом «увидеть» электронному устройству. В данном случае он составил 62 нанометра. При этом сами авторы эксперимента считают, что сделали всего лишь первый шаг на долгом и перспективном пути. В стадии разработки в настоящее время находятся устройство на свободных электронах, которое сможет излучать очень короткий импульс в диапазоне уже «жесткого» рентгена. Авторы статьи рассчитывают уменьшить «рабочую» длину волны лазерного излучения до 0,15 нанометров и, соответственно, достичь разрешения на уровне максимально возможного — порядка 0,3 нанометров, что всего лишь в три раза превышает размер атома.

Пиковая интенсивность излучения будущего лазера будет, как ожидается, на пять порядков (в сто тысяч раз) больше той, которая была достигнута в описанном нами эксперименте. Механизм взаимодействия рентгеновского излучения с веществом — при столь больших энергиях и столь малых промежутках времени — практически не исследован, так что изучением проблемы займутся теоретики. А это значит, что продвижение в наномир продолжается!

Читайте также в журнале «Вокруг Света»:

Борис Булюбаш, 19.12.2006