Najpotężniejszy na świecie laser rentgenowski stworzył molekularną czarną dziurę

Gdy naukowcy ze SLAC National Accelerator Laboratory skierowali pełną moc najpotężniejszego na świecie lasera rentgenowskiego na niewielką molekułę, czekała ich niespodzianka. Wystarczył pojedynczy impuls lasera, by największy atom molekuły utracił niemal wszystkie elektrony i powstała pusta przestrzeń, która zaczęła przyciągać elektrony z pozostałych atomów molekuły.

W ciągu zaledwie 30 femtosekund (biliardowych części sekundy) molekuła straciła ponad 50 elektronów, znacznie więcej niż przypuszczano na podstawie eksperymentów z mniej intensywnym impulsem światła. Później się rozsypała.

Dla każdego eksperymentu, w czasie którego na próbkę kieruje się intensywne promieniowanie X, chcemy rozumieć, w jaki sposób próbka na nie reaguje. Powyższe badania pokazują, że jesteśmy w stanie zrozumieć i modelować zniszczenia poczynione przez promieniowanie na małej molekule, możemy więc przewidzieć zniszczenia w większym systemie – skomentował wyniki badań Daniel Rolles z Kansas State University.

Podczas eksperymentu, którym kierowali Rolles i Artem Rudenko, wykorzystano instrument o nazwie Coherent X-ray Imaging (CXI), który emituje twarde promienie X i rejestruje to, co dzieje się z próbką. Intensywność tego źródła jest ogromna. Jest ona 100-krotnie większe niż intensywność całego światła słonecznego padającego na Ziemię skupionego na powierzchni kciuka – wyjaśnił współautor badań Sebastien Boutet. Naukowcy wykorzystali przy tym zestaw luster, które skupiły promienie na polu o średnicy około 100 nanometrów. To 100-krotnie mniej niż podczas standardowych eksperymentów przeprowadzanych przy użyciu CXI. Badali trzy rodzaje próbek. W jednej znajdowały się indywidualne atomy ksenonu, z których każdy miał 54 elektrony, w dwóch pozostałych były dwie różne molekuły, które miały w swoim składzie pojedynczy atom jodu z 53 elektronami.
Ciężkie atomy tych rozmiarów są ważne w reakcjach biochemicznych i są wykorzystywane w próbkach podczas badań obrazowych i krystalograficznych. Dotychczas jednak nie badano, jak na molekuły zawierające tak ciężkie atomy wpływa intensywne promieniowanie X.

Podczas opisywanych badań impulsy promieniowania miały oddzielić od atomów ksenonu i jodu elektrony na wewnętrznych powłokach. Na podstawie prowadzonych od lat badań naukowcy spodziewali się, że w takich sytuacji elektrony z powłok zewnętrznych przeskoczą na wole miejsca w powłokach wewnętrznych, skąd zostałyby wyrzucone przez kolejny impuls promieniowania. W ten sposób w atomie zostałoby niewiele najmocniej związanych elektronów. I rzeczywiście zjawisko takie zaobserwowano dla wolnych atomów ksenonu i atomów jodu w molekułach.

Jednak w przypadku molekuł proces się na tym nie skończył. Okazało się, że atom jodu, który po utracie większości elektronów ma silnie dodatni ładunek, zaczął zabierać elektrony z pobliskich atomów węgla i wodoru. O ile w przypadku izolowanego atomu jodu pod wpływem promieniowania doszło do utraty 47 elektronów, to w małej molekule jod utracił 54 elektrony, w tym te, które zabrał z pobliskich atomów.

Sądzimy, że w dużych molekułach zjawisko to jest ważniejsze niż w małych, ale jeszcze nie wiemy, jak to wszystko sklasyfikować. Oceniamy, że wyrzuceniu z orbit uległo ponad 60 elektronów. Nie wiemy jednak, w którym miejscu proces ten się zatrzymał, gdyż nie byliśmy w stanie wykryć wszystkich elementów, które oderwały się od molekuły, gdyż sama molekuła uległa rozpadowi i nie wiemy, czego jej brakowało. To jedna z kwestii, które wymagają kolejnych badań – mówi Rudenko.

atom laser czarna dziura elektron molekuła