До сих пор химикам и физикам не представлялось возможным в сверхвысоком разрешении отслеживать изменения, происходящие в электронном микромире, который играет важную роль в химических реакциях. Электроны в возбужденном состоянии обладают огромной скоростью и ранее не могли быть четко зафиксированы или даже обнаружены при изучении. Благодаря инновационному методу рентгеновской спектроскопии международная группа ученых смогла добиться беспрецедентного уровня детализации и разрешения электронных процессов.
Чтобы получить подробные изображения атомных взаимодействий, ученые прибегали к использованию одной из самых передовых установок, характеризующейся высокой энергией электронов и интенсивностью излучения — Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL (Германия). Оптический микроскоп ограничен в разрешении и не способен визуализировать объекты, размеры которых меньше длины волны видимого света, в то время как рентгеновское излучение обладает гораздо меньшей длиной волны, что позволяет исследовать вещества на атомном уровне.
Благодаря способности генерировать до 27 тысяч импульсов в секунду, европейский XFEL позволил протестировать новый метод, получивший название стохастическое вынуждение рентгеновским комбинационным рассеянием (подробное описание этого элемента представлено в научной статье, опубликованной в журнале Nature.
Ученые разработали экспериментальную установку, которая позволяет направлять импульсы рентгеновского лазера XFEL на газовую ячейку, заполненную неоном. Проходя через газ, они вызывали ответные — рамановские — электроны в атомах неона испускали сигналы, усиленные примерно в миллиард раз, и эти сигналы проходили через решетчатый спектрометр, который разделял свет по различным длинам волн.
Благодаря применению 18 тысяч отдельных импульсов, ученым удалось преодолеть энергетическое инструментальное разрешение в 0,2 электронвольта, что обеспечило создание условий сверхвысокой детализации. Эти условия сопоставимы с условиями сверхвысокой флуоресцентной микроскопии, за что в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по химии.
Благодаря новому методу удалось существенно улучшить детализацию рентгеновской спектроскопии, которая позволяет исследовать расположение электронов вокруг атомных ядер. Использование разработанной технологии генерации ультракоротких рентгеновских импульсов, длительность которых составляет менее одной фемтосекунды дает понимание динамики сложных химических реакций, что открывает новые возможности в материаловедении.