Самая мощная рентгеновская машина

Атом, молекула или пылинка, помещенные в фокус самого мощного в мире рентгеновского лазера, не имеют никаких шансов. Освещенная частичка вещества менее чем за одну триллионную долю секунды нагревается до температуры свыше миллиона градусов Кельвина, такой же температуры, какую имеет солнечная корона. Атомы, например, неона, под воздействием такого экстремального излучения быстро теряют все свои десять электронов и лишившись своей защитной мантии, разлетаются прочь друг от друга, словно выброшенные выстрелом из пушки. Для физиков эта цепь разрушений имеет особую привлекательность.

Удивительным этот процесс делает то, что лазер «выкипячивает» электроны у атома, начиная с расположенных ближе всего к ядру. Электроны, окружающие ядро атома в виде похожих на луковицу оболочек, по-разному реагируют на пучок рентгеновского излучения. Верхние оболочки почти прозрачны для рентгеновских лучей, поэтому весь удар радиации принимают на себя внутренние, подобно тому как кофе в микроволновке нагревается гораздо быстрее, чем самая фарфоровая чашечка с ароматным напитком. Два электрона этой оболочки отстреливаются прочь, оставляя за собой незаполненное пространство, — атом становится пустым внутри. Спустя несколько фемтосекунд другие электроны затягиваются туда взамен утраченных, и цикл образования пустоты возле ядра и заполнения вакансии продолжается до тех пор пока у атома не останется ни одного электрона. Этот процесс происходит также и в случае молекул и частиц твердого вещества.

Получающееся в результате экзотическое состояние вещества живет всего несколько фемтосекунд. В твердых телах оно быстро переходит в ионизированное состояние— плазму, называемую «горячим плотным веществом», которую обычно можно найти лишь в экстремальных условиях, таких, какие имеют место в ходе реакции ядерного синтеза, и в ядрах гигантских планет. Быстро исчезающие экстремальные условия, образующиеся в фокусе рентгеновского лазерного пучка, не имеют аналогов на Земле. Сам рентгеновский лазер столь же замечателен, как и экзотические явления, которые он позволяет получать. Построенный в Национальной лаборатории ускорителей Стэнфордского центра линейных ускорителей (СЦЛУ) и получивший название «Линейный ускоритель— источник когерентного излучения» (LCLS), этот рентгеновский лазер рождает в памяти реалии 1980-х гг.. эры противоракетной системы, которую предполагалось создать в рамках программы «Звездные войны». Ее сторонники предлагали использовать рентгеновские лазеры для того, чтобы сбивать баллистические ракеты и спутники, тем не менее этот реально существующий рентгеновский лазер гораздо больше обязан своим появлением огромным машинам для сталкивания атомов, построенным примерно в то же время.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

• Рентгеновские лазеры в течение долгого времени оставались предметом научной фантастики, но вот уже четыре года назад первая такая установка, принадлежащая Управлению науки Министерства энергетики США, начала работать в Стэнфордском университете, где нашла широкое применение в научных исследованиях. Рентгеновский лазер, получивший название «Линейный ускоритель— источник когерентного излучения» (LCLS), подпитывается энергией самого длинного в мире линейного ускорителя элементарных частиц Национальной лаборатории ускорителей Стэнфордского центра линейных ускорителей.
• Экзотические состояния вещества, которые не встречаются больше нигде в природе, были созданы при бомбардировке атомов, молекул и твердых тел импульсами рентгеновского излучения высокой интенсивности.
• Действуя как свет стробоскопа, этот высокоскоростной лазер, «заморозив» движение атомов, запечатлел изображения белков и вирусов, зарегистрировал физическую и химическую трансформацию, которая происходит менее чем за одну триллионную секунды.

Установка создана на базе одного из первых ускорителей тяжелых заряженных частиц — линейного ускорителя СЦЛУ. работавшего в Стэнфордском университете по программам Министерства энергетики США. На этом ускорителе было получено немало открытий и Нобелевских премий, которые в течение многих десятилетий удерживали США на переднем фронте физики элементарных частиц. После проведенного в 2009 г. переоборудования в рентгеновский лазер LCLS эта установка стала для атомной физики и физики плазмы, химии, физики конденсированного состояния и биологии тем же чем Большой адронный коллайдер (БАК) CERN для физики элементарных частиц: она позволяет подвергать разрушительному воздействию мощнейших импульсов энергии строительные блоки природы, в результате чего образуются новые формы материи, такие как«полые атомы», или же многократно увеличить масштабы квантового мира, если использовать ее в качестве высокоскоростного микроскопа сверхвысокой разрешающей способности. Импульсы рентгеновского лазера LCLS могут быть настолько коротки (несколько фемтосекунд) что останавливают движение атомов, давая физикам возможность наблюдать течение химических реакций. Эти импульсы к тому же очень яркие, что позволяет нам получить фотографии белков и других биологических молекул, которые очень трудно изучать, если использовать другие источники рентгеновского излучения.

Тени атомов

Рентгеновский лазер представляет собой синтез двух основных инструментов, используемых сегодня в экспериментальной физике: источника синхротронного излучения и сверхскоростного лазера. Синхротроны— это кольцевые ускорители элементарных частиц. Циркулирующие внутри них электроны излучают рентгеновские лучи, которые попадают в инструменты, расположенные подобно лепесткам детской вертушки, по окружности. Нора Берра. один из авторов этой статьи, всю свою научную жизнь посвятила изучению того, что находится глубоко внутри атомов, молекул и наносистем используя рентгеновское излучение синхротрона. Рентгеновское излучение идеально подходит для этой цели. Длина его волны— порядка размера атома, поэтому при освещении рентгеновским пучком атомы отбрасывают тень. Кроме того, можно подобрать частоту излучения так, что оно будет оттенять специфические виды атомов — например, атомы железа — и показывать, где они расположены в твердом теле или в большой молекуле, например гемоглобина. (Именно железо окрашивает в красный цвет нашу кровь.)

Чего не позволяет сделать рентгеновское синхротронное излучение, так это проследить движение атомов в молекуле или твердом теле. Все, что мы наблюдаем. — это тусклые размытые очертания; импульсы недостаточно коротки или недостаточно ярки. Синхротронный источник дает возможность получить изображения молекул в том случае, когда они упакованы в кристаллы, где внутрикристаллические силы удерживают их упорядоченными в рядах, вроде строя солдат в одинаковой форме, стоящих по стойке смирно на плацу.

Лазеры, со своей стороны, гораздо ярче, поскольку они образуют когерентное излучение: электромагнитное поле в лазере не хаотично по направлению, как поверхность бурного моря, а плавно колеблется с управляемой регулярностью. Когерентность означает, что лазеры позволяют сконцентрировать огромную энергию в крошечном пятне и включаться-выключаться за промежуток времени порядка фемтосекунды. Один из нас (Филип Буксбаум) использует ультракороткие импульсы оптического лазера в качестве стробоскопа для изучения движения атомов и стадий химических реакций.

Однако обычные лазеры излучают в видимом и близком к видимому диапазонах длин волн, что более чем в тысячу раз больше, чем необходимо для того, чтобы различить отдельные атомы. Так же как погодный радар видит грозовые облака, но не в состоянии различить отдельные капли, обычные лазеры видят, как движется большая группа атомов, но не могут разглядеть отдельные частицы. Чтобы предмет отбрасывал контрастную тень, длина световой волны должна быть по крайней мере столь же мала, как и наблюдаемый объект. Именно по этой причине нам требуется рентгеновский лазер. Короче говоря, рентгеновский лазер позволяет преодолеть недостатки существующих научных инструментов, предназначенных для получения изображений материи в самом мелком масштабе. Но сделать такой прибор— задача не из легких.

Лучи смерти

Одно время идея построить рентгеновский лазер казалось просто нелепой, учитывая, что изготовление любого лазера — задача не из простых. Стандартные лазеры работают потому, что атомы ведут себя как миниатюрные батарейки: они могут поглощать, хранить и испускать небольшое количество энергии в виде фотонов, или частиц света. Обычно они испускают свою энергию самопроизвольно (или. как говорят, «спонтанно»), но в начале XX столетия Альберт Эйнштейн открыл способ, как запустить этот процесс, получивший название вынужденного или индуцированного испускания. Если вы заставите атом поглотить определенную порцию энергии и осветите его фотоном, имеющим в точности такую же энергию, атом может испустить первоначально поглощенную энергию, образовав клон первоначального фотона. Два фотона (первоначальный и его клон), летя дальше, заставляют испустить энергию еще одну пару атомов, и так далее, наращивая армию клонов с помощью этой экспоненциально развивающейся цепной реакции. Результат — лазерный пучок.

Но даже в случае, когда условия подходящие, атомы не всегда клонируют фотоны. Вероятность, что данный атом испустит фотон, столкнувшись с другим фотоном, достаточно мала — у атома гораздо больше шансов спонтанно испустить энергию прежде, чем это случится. В обычных лазерах такое ограничение преодолевают, «закачивая» энергию в систему, чтобы перевести как можно больше атомов в возбужденное состояние, и используя зеркала, чтобы заставить клонированные фотоны бегать взад-вперед, набирая в свои ряды все больше новых «рекрутов». В типичном гелий-неоновом лазере, используемом в супермаркетах в сканерах для считывания артикула товаров, постоянный поток фотонов соударяется с атомами газа, и свет 200 раз проходит туда и обратно между зеркалами.

Для рентгеновского лазера каждый этап этого процесса оказывается намного более сложным. Фотон рентгеновского излучения обладает в тысячу раз большей энергией, чем фотон оптического диапазона, поэтому каждый атом должен, соответственно, поглотить в тысячу раз больше энергии. Атомы нс удерживают свою энергию продолжительное время. Более того, не так-то просто изготовить рентгеновское зеркало. Хотя все эти препоны и не имеют фундаментального характера, чтобы создать условия для образования рентгеновского лазерного излучения, к установке необходимо подвести огромную энергию.

И действительно, первый рентгеновский лазер черпал свою энергию от испытательного подземного взрыва ядерной бомбы. Он был создан в рамках сверхсекретного проекта, получившего кодовое название «Экскалибур» и проведенного Ливсрморской национальной лабораторией им. Лоуренса, расположенной к востоку от Сан-Франциско. Этот проект до сих пор остается секретным, хотя достаточно много информации о нем с тех пор просочилось в открытую печать. Это устройство было ключевым компонентом программы «Стратегическая оборонная инициатива» (СОИ), провозглашенной в 1980-х гг. тогдашним президентом Рональдом Рейганом и окрещенной в СМИ программой «Звездные войны», и должно было направлять лучи смерти на ракеты и космические спутники противника, чтобы сбивать их. не дав долететь до цели.

В те же самые годы в той же Ливсрморской национальной лаборатории был построен первый неядерный лабораторный прототип рентгеновского лазера, получавший энергию от мощных оптических лазеров, построенных, чтобы проверять свойства ядерных боезарядов. Однако эта установка не была инструментом для проведения практических научных исследований, и перспектива того, что рентгеновские лазеры когда-нибудь станут обычным инструментом для проведения прикладных научных исследований, казалась весьма далекой.

Высокая наука не ржавеет

Научный прорыв, который наконец-то дал ученым возможность разработать рентгеновские лазеры для невоенного применения, родился в другом институте области залива Сан-Франциско, где воспользовались прибором, предназначенным для совершенно иных целей. В 1960-е гг. в Стэнфорде был построен самый длинный в мире ускоритель электронов, трехкилометровое здание которого при взгляде из космоса напоминает иголку, берущую начало в горах и заканчивающуюся в самом сердце университетского кампуса. Линейный ускоритель СЦЛУ ускоряет плотный сгусток электронов до скоростей, предельно близких к скорости света (разница — всего в один сантиметр в секунду). Эта машина позволила в свое время стэнфордским физикам получить три Нобелевские премии за экспериментальные открытия в области физики элементарных частиц.

Однако в конце концов она отслужила свое, и сегодня новые научные открытия в области физики элементарных частиц физики делают на БАК. Десять лет назад Стэнфордский университет и головное агентство Стэнфордского центра линейных ускорителей, Управление науки Министерства энергетики США, решили превратить часть устаревшей установки в рентгеновский лазер. В СЦЛУ ускоритель оснастили устройством, которое используется для генерирования рентгеновских лучей в современных синхротронах, — ондулятором.

Ондулятор состоит из последовательности магнитов чередующейся полярности, которые формируют знакопеременное магнитное поле. Электроны, пролетая внутри ондулятора, движутся по искривленной траектории и излучают рентгеновские лучи. В синхротроне, который представляет собой замкнутое кольцо, когда электрон вылетает из ондулятора, его траектория искривляется в дугу. Таким образом, частицы уходят с пути рентгеновского излучения, которое направляется затем на экспериментальные установки. Электроны продолжают носиться внутри камеры синхротрона, излучая вспышку рентгеновских лучей при каждом проходе через ондулятор.

Однако ускоритель СЦЛУ расположен строго вдоль прямой и имеет необычно длинный ондулятор (130 м). Электроны движутся по тому же пути, что и фотоны, и примерно стой же скоростью. В результате мы имеем субатомные гонки на выживание. Электроны нс могут выскочить из пучка рентгеновских фотонов, которые они же ниспустили, поэтому фотоны сталкиваются с ними снова и снова. При этом рентгеновские фотоны заставляют электроны испускать свои клоны посредством процесса индуцированного излучения. В этом случае нет никакой необходимости в зеркалах, чтобы гонять излучение взад и вперед через электроны, поскольку они движутся сообща. Все. что требуется для того, чтобы получить лазер,— это плотный пучок быстрых электронов и достаточно большое пространство, чтобы поместить там ондулятор необходимой длины. А в СЦЛУ есть и то и другое. Если все приборы выстроить в безупречную прямую, на выходе мы получим необычайно яркий рентгеновский пучок. В конце этой линии электроны заставляют отклониться в сторону, а фотоны, продолжая свой путь, попадают в камеру экспериментальной установки. Такая система получила техническое название «лазер на свободных электронах».

Хотя это и не оружие для «Звездных войн», LCLS — все-таки устройство, вызывающее опасения. Его пиковая интенсивность в фокусе 10 в восемнадцатой степени Вт/см², в миллиарды раз выше, чем дает синхротронный источник излучения. Этот лазер может прожигать сталь. Его переменное электромагнитное поле может быть в тысячу раз больше, чем поля, удерживающие атомы друг с другом в молекулах.

В сердце вещества

Потребность в подобном лазере настолько велика, что удовлетворяется лишь каждая четвертая заявка на проведение на нем научных исследований. Штатный научный персонал лазера работает рука об руку со множеством сторонних групп студентов, аспирантов и научных сотрудников других университетов и лабораторий в ходе непрекращающегося марафона, идущего по 12 часов пять дней в неделю. Каждая микросекунда на счету. Спектр возможных научных задач для рентгеновского лазера обширен. Чтобы дать минимальное представление о том, какие он предоставляет возможности, мы сосредоточимся здесь на двух научных проблемах, которые нам особенно интересны: как ведет себя материя в экстремальных условиях и что можно узнать с помощью сверхбыстрого фотографирования молекул. Эти две проблемы тесно связаны с фундаментальными процессами изучаемыми в областях атомной и молекулярной физики и оптики— сферах нашей профессиональной деятельности.

Когда лазер LCLS создает полые атомы в молекулах и твердых телах, он использует свойство электронов внешних оболочек атома падать на более низкие энергетические уровни, чтобы заместить утраченные электроны внутренней оболочки атома. Это явление, называемое Оже-релаксацией длится несколько фемтосекунд. Следовательно, если мы осветим систему импульсом рентгеновского излучения длиной в одну фемтосекунду, ни один из электронов внешних оболочек не успеет перепрыгнуть па незаполненные уровни внутренних оболочек. При таких условиях полые атомы станут прозрачными для любого из новых рентгеновских фотонов, даже если они очень большой энергии. Мы обнаружили на LCLS такую прозрачность не только у полых атомов, по и у молекул, и в более крупных образцах материалов. Теоретически предполагается, что внутри гигантских планет, таких как Юпитер, температуры достигают 20 тыс. К. т.е. там в четыре раза жарче, чем на поверхности Солнца- Водород и гелий, основные компоненты планеты, вероятно, переходят в экзотические твердые фазы необычайной плотности и структуры. Однако почти ничего не известно об их специфике. Даже коэффициент сжимаемости такого материала, т.е. то, как он реагирует на внешнее давление, измерить, как и вывести теоретически из основных физических принципов, достаточно трудно. До сих пор исследования в этой области в большинстве своем опирались на теоретические построения. Эксперименты, которые могли бы подтвердить справедливость этих моделей, можно пересчитать по пальцам.

Одними из первых экспериментов, проведенных на LCLS, были попытки воссоздать такие экстремальные условия. Лазерный луч колоссальной интенсивности может нагреть вещество с потрясающей скоростью, вызывая необычные эффекты. Например, впервые мы наблюдали, как многократные импульсы рентгеновского излучения коллективно могут заставить молекулы, состоящие из многих атомов, отдать электроны, которые прочно привязаны к атомным ядрам, в ходе процесса, получившего название многофотонного поглощения. Высокая плотность фотонов позволяет также выбить несколько электронов из одного атома, молекулы или частицы твердого тела, делая их полыми, как было описано выше, входе процесса, называемого последовательным поглощением. Яркий рентгеновский луч, кроме того, может быстро разрушить все связи в молекулах, которые, как предполагается, находятся внутри гигантских планет, включая воду, метан и аммиак. Изучение свойств вещества в экстремальных условиях помогло получить уравнение состояния— формулу, которая управляет плотностью, температурой и давлением, — для ядер гигантских планет и для физики явлений, происходящих при ударе метеорита.

Взрывая белки

Другое направление исследований — использование лазера в качестве высокоскоростной рентгеновской кинокамеры для получения изображений молекул и создания фильмов о физической, химической и биологической динамике — заполняет серьезный пробел в наших знаниях. Ученые знают удручающе мало о структуре множества биологических молекул— в частности белков клеточной мембраны и крупных макромолекулярных комплексов. Стандартная методика, кристаллография, начинается с выращивания кристалла, который должен быть достаточно большим и иметь не очень много дефектов, чтобы на нем происходила дифракция рентгеновского пучка синхротронного излучения. Полученное изображение позволяет раскрыть структуру молекулы. Недостаток этой методики в том, что рентгеновские лучи быстро разрушают молекулы, которые ученые изучают с их помощью. Чтобы компенсировать это. необходимо выращивать большие кристаллы, однако многие интересующие нас молекулы, включая белки клеточной мембраны, очень трудно превратить в кристалл. Помимо всего прочего синхротронный метод медленный, а значит, не позволяет наблюдать переходные химические явления, которые протекают в фемтосекундном масштабе.

На первый взгляд лазер LCLS кажется не самым подходящим инструментом для такой задачи. Поскольку его излучение в миллиарды раз мощнее, чем излучение синхротронных источников, такая нежная материя, как белки или некристаллические структуры, не выдерживает даже одного импульса рентгеновского лазера и, взрываясь, превращается в горячий плазменный суп. Но как ни парадоксально, эта разрушительная мощь — именно то, что нам необходимо. Поскольку импульс невероятно короток и ярок, он позволяет получить изображение прежде, чем молекула успевает взорваться. Поэтому, хотя лазер полностью уничтожает образец, он дает возможность запечатлеть четкий образ молекулы ровно за мгновение до ее гибели.

Эта идея, получившая название «дифракция перед разрушением», уже начинает приносить первые плоды. Ученые использовали фемтосекундную кристаллографию для получения дифракционных картинок нанокристаллов белков и вирусов. Входе последних работ были выявлены структуры белков, участвующих в развитии сонной болезни — смертельно опасного заболевания, вызываемого простейшими паразитами.

Сейчас, когда рентгеновский лазер LCLS проторил технологическую дорогу, лаборатории в Европе и Азии также планируют или уже строят собственные лазеры на свободных электронах. Это новое поколение машин будет более стабильным и обеспечит лучшее управление пучком. Одна из особенно важных задач — еще сильнее сжать рентгеновские пакеты. При длине импульса 0,1 фемтосекунды мы, возможно, начнем наблюдать движение не только атомов, но и электронов внутри атомов и молекул. Новые устройства, вероятно, предоставят нам возможность управлять этим движением. Мечта о том, чтобы снять фильм, показывающий, как рвутся химические связи и возникают новые, вполне достижима.