Реализована сверхминиатюрная и ультрабыстрая рентгеновская голография

Последовательные этапы сверхскоростной и сверхминиатюрной голографии.

Фотографирование предметов — самый простой способ запечатлеть информацию о форме исследуемого предмета. Однако рассматривая фотографию, человек видит лишь точки на фотографии, но не сами предметы. Пространственный ход лучей от расположенных поодаль предметов и от фотографии с их изображением — разный.

С точки зрения физики, ход лучей в пространстве определяется распределением фазы световой волны. При фотографировании сохраняется лишь информация о яркости света, а распределение фаз теряется. Именно поэтому свет от фотографии расходится совсем не так, как изначально он шел от предметов.

Распределение фазы можно запечатлеть с помощью голографии. В этом методе экран (фотопленка, матрица цифровой камеры, и т. д.) освещается одновременно двумя лучами: прямым опорным лучом, а также регистрирующим лучом, который предварительно отразился от предмета. Накладываясь, эти два луча интерферируют, и на экране появляются светлые и темные полосы или иные области замысловатой формы. Интерференция — это волновое явление, и поэтому она чувствительна к фазе световой волны. Яркость и расположение этих светлых и темных областей как раз кодирует полную информацию о предмете, принесенную регистрирующим лучом.

Теперь эту интерференционную картину можно запечатлеть на негатив, а затем осветить его «восстанавливающим» лучом света. Пройдя сквозь голограмму, он создаст распределение световых лучей в пространстве, полностью идентичное картине световых лучей при записи. Световые лучи будут идти ровно так же, как если бы предметы действительно были. Рассматривая такое распределение света, человек увидит настоящее трехмерное изображение.

Всё это хорошо отработано на обычных, макроскопических предметах. А можно ли получить голограмму микроскопических объектов? живой клетки? отдельной молекулы?

В последнем выпуске журнала Nature появилась статья, рывком перебрасывающая голографический метод исследования в мир нанометровых размеров. Большая группа американских, шведских и германских физиков, используя рентгеновский лазер на свободных электронах, сумела получить голограммы объектов размером в сотни нанометров. И более того, на этих голограммах запечатлен вовсе не неподвижный предмет, а сверхбыстрый процесс — взрыв субмикронного полистиролового шарика — длительностью всего лишь несколько пикосекунд (10-12 с)!

Пожалуй, самой поразительной особенностью этой работы является простота установки. Достаточно приготовить специальную слоистую мишень, настроить рентгеновский лазер (это установка FLASH в германском исследовательском центре DESY) и подставить цифровую камеру рентгеновского излучения, а дальше всю работу берет на себя мощный и очень короткий рентгеновский импульс. Он сам инициирует взрыв шарика, а также играет роль как опорного, так и регистрирующего луча при получении голограммы. Постановка эксперимента настолько изящна, что на ней стоит остановиться подробнее.

Типичная голограмма взрывающегося шарика субмикронных размеров. Обработав ее, можно получить как распределение яркости, так и фазовую картину.

Вначале экспериментаторы приготовили мишень-«слойку». Она состояла из специального зеркала, отражающего мягкие рентгеновские лучи, и тонкой пленки с налипшими на нее полистироловыми шариками. Пленка располагалась чуть впереди зеркала; зазор между ними можно было изменять от 0,03 мм до 1,2 мм. Прямо на эту слойку падал очень короткий и мощный импульс рентгеновского излучения, и при этом происходила цепь интересных явлений (см. рисунок).

Когда импульс достигал пленки, полистироловый шарик поглощал часть излучения, его температура резко повышалась, и за несколько пикосекунд он взрывался. Однако с точки зрения рентгеновского импульса этот взрыв длится довольно долго. Импульс за это время успевает дойти до зеркала, отразиться обратно и вновь пройти сквозь взрывающийся шарик. Время, которое импульс затрачивает на этот путь, зависит от ширины зазора: чем он шире, тем больше задержка, и значит, тем в более поздней стадии взрыва импульс «увидит» шарик на пути обратно.

При такой методике зеркало нужно только лишь для фиксированной задержки между двумя моментами прохождения. После первого прохождения появляется опорная волна (синяя полоска на рисунке), а после второго — «предметная» волна (красная полоска). Эти две волны накладываются и интерферируют друг с другом. Импульс затем доходит до цифровой камеры и оставляет в ней изображение интерференционных полос. Получается самая настоящая рентгеновская голограмма взрывающегося шарика в какой-то определенный момент времени после начала взрыва.

Эксперимент, проведенный по такой методике, конечно, одноразовый. Один-единственный импульс взрывает не только пленку с полистироловыми шариками, но и то место на зеркале, куда он упал. Однако авторы работы, запасясь множеством таких «слоек», проводили опыт за опытом, каждый раз слегка изменяя зазор между пленкой и зеркалом. В результате они получили последовательность голографических снимков с шагом по времени в доли пикосекунды.

Методика, конечно, красивая, но можно ли с помощью нее получать какую-то новую информацию о наблюдаемом процессе (т. е. о взрыве шарика)? Да, и авторы работы это убедительно доказали. Обработав полученное изображение, они отдельно выделили «картину яркости» и «фазовую картину». Они проследили процесс взрыва, используя вначале только «картину яркости» (т. е. то, что доступно и другим методикам), а затем — только фазовую картину. Оказалось, что как динамика, так и форма взрыва шарика видны на фазовой картине гораздо подробнее и с существенно лучшим временным разрешением.

Какие перспективы вырисовываются у этой методики? Во-первых, уже в таком виде она позволяет увидеть в виде объемного изображения ультрабыстрые процессы на субмикронном масштабе расстояний, вызванные мощным излучением. Если же запускать быстрый процесс каким-то иным способом, а импульсу оставить только роль «рентгеновской вспышки», то можно попытаться голографически разглядеть, например, динамику формирования трещин в хрупких телах или сверхбыстрые фазовые превращения в ударных волнах.

Во-вторых, нет никаких принципиальных ограничений на дальнейшее уменьшение размеров предметов и длительности процессов. Описанные опыты проводились с лазером на длине волны 32 нм, но уже сейчас есть лазеры с длиной волны всего 2 нм, а в будущем можно рассчитывать и на атомные размеры. Уменьшить длительность импульса до нескольких фемтосекунд (а это характерный период колебаний отдельных атомов) тоже не составит проблемы. Всё это позволит голографически увидеть в динамике поведение отдельных молекул.

   
автор: Игорь Иванов