Проследить в сверхвысоком разрешении за динамикой электронного микромира, играющего ключевую роль в химических реакциях, до сих пор не удавалось ни химикам, ни физикам. Электроны в возбужденном состоянии движутся с невероятной скоростью и прежде оставались размытыми или невидимыми при изучении.
Для получения детальных снимков атомных взаимодействий исследователи использовали одну из самых мощных, с точки зрения энергии электронов и яркости, установок — Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL (Германия). В то время как оптический микроскоп не позволяет увидеть объекты, меньшие по размеру, чем длина волны в спектре видимого света, длина волны рентгеновского излучения достаточно короткая, чтобы разглядеть вещества на уровне атомов.
Европейский XFEL способен генерировать до 27 тысяч таких импульсов в секунду, что дало возможность опробовать на нем новый метод, названный стохастическим вынужденным рентгеновским комбинационным рассеянием (s-SXRS). Подробнее он описан в научной статье, опубликованной в журнале Nature.
Ученые создали экспериментальную установку, с помощью которой направили пучки импульсов рентгеновского лазера XFEL на неоновую газовую ячейку. Проходя через газ, те вызывали ответные — рамановские — сигналы электронов в атомах неона, которые усиливались почти в миллиард раз и проходили через решетчатый спектрометр, разделяющий свет на различные длины волн.
Используя 18 тысяч одиночных импульсов, исследователи превзошли инструментальное разрешение по энергии 0,2 электронвольта, тем самым создав условия сверхвысокого разрешения. Они аналогичны условиям сверхвысокой флуоресцентной микроскопии, за развитие которых в 2014 году присуждена Нобелевская премия по химии.
Таким образом, новый метод значительно повысил детализацию рентгеновской спектроскопии, изучающей расположение электронов вокруг атомных центров. Применение предложенной генерации чрезвычайно коротких рентгеновских импульсов длительностью менее одной фемтосекунды дает понимание динамики сложных химических реакций, что открывает новые возможности в материаловедении.