Группа учёных из Университета штата Аризона в США получила самые быстрые рентгеновские импульсы, когда-либо созданные компактным прибором. С их помощью физики впервые смогли зафиксировать изменения в атомной структуре так называемого квантового материала, происходящие за триллионные доли секунды.
Исследование проводилось в лаборатории CXFEL под руководством профессора физики Арвиндера Санду. Учёные использовали компактный источник рентгеновского излучения, чтобы проследить, как перестраиваются атомы и электроны в материале после воздействия на него тепла. По словам профессора Санду, эта технология может привести к новым открытиям в области полупроводников, возобновляемой энергетики, медицины и квантовых вычислений.
Эта работа доказывает научному сообществу, что мы официально открыты для проведения экспериментов, чтобы расширить наши знания и понимание.
— Арвиндер Санду, руководитель лаборатории CXFEL
Для эксперимента выбрали дисульфид тантала (TaS2) — материал с необычными электронными свойствами, который считается перспективным для создания устройств памяти, датчиков и компонентов квантовых компьютеров. Образец облучали импульсом инфракрасного лазера, чтобы возбудить его атомы и электроны. Сразу после этого сверхкороткими рентгеновскими импульсами учёные «фотографировали» изменения его внутренней структуры. Изменения происходят за фемтосекунды, которые равны одной квадриллионной доле секунды.
Лазерный и рентгеновский импульсы нужно было синхронизировать с точностью до наносекунды, чтобы успеть зафиксировать изменения до того, как материал вернётся в исходное состояние. Наблюдения показали, как под воздействием лазера в материале меняются так называемые волны зарядовой плотности — узоры, которые образуют электроны. По мере того как материал менял своё состояние, небольшие области сливались в более крупные и упорядоченные структуры.
Как объяснил доцент Сэмюэл Тейтельбаум, рентгеновские измерения позволили проследить за рождением и ростом новой фазы материала в промежутке от нескольких пикосекунд до нескольких наносекунд. Понимание таких быстрых процессов может показать, как перспективные материалы реагируют на тепловые нагрузки.
Лаборатория, над созданием которой работали около 80 исследователей, теперь доступна и другим учёным для изучения различных материалов и биологических структур. Команда профессора Санду планирует в дальнейшем использовать технологию для изучения белков, связанных с болезнями человека. К 2028 году в университете планируют достроить второй, ещё более быстрый рентгеновский прибор.
Письма читателей