LCLS-röntgenlaser har gjort det möjligt för fysiker att "katapultera" nästan alla elektroner från en enda atom i en molekyl och tillfälligt omvandla den till en miniatyranalog av ett svart hål och locka elektroner till sig själv med kraften i sin kosmiska motsvarighet, enligt en artikel publicerad i tidskriften Nature.
© RIA Novosti / Alina Polyanina // DESY / Science Communication Lab
”Kraften som elektronerna attraherades av jodatomen i detta fall var mycket större än den som till exempel skulle genereras av ett svart hål med en massa på tio solar. I princip kan tyngdfältet för alla svarta hål med stjärnmassa inte verka på en elektron på ett jämförbart sätt, även om det är mycket nära händelseshorisonten, säger Robin Santra från det tyska Synchrotron Center DESY.
Santra och hans kollegor skapade ett liknande miniatyr svart hål genom att fokusera hela strålen på LCLS röntgenlaser, för närvarande den mest kraftfulla installationen i sitt slag i världen, på en punkt bara 100 nanometer bred. Detta är ungefär lika med längden på en stor organisk molekyl och flera hundra gånger mindre än den strålbredd som vanligtvis används i experiment med sådana emittrar.
Tack vare detta nådde laserstrålens kraft tio miljarder gigawatt per kvadratcentimeter, närmar sig den punkt där ultrarelativistiska effekter börjar manifestera sig och ljus börjar spontant förvandlas till materia och antimateria.
Kollisionen av en sådan puls med enstaka atomer av xenon och jod, som visas av fysikernas första experiment, leder till att de förlorar praktiskt taget alla sina elektroner och får ett fantastiskt högt oxidationstillstånd - +48 eller +47, vilket resulterar i en rekordhög positiv laddning.
Forskare beslutade att testa hur denna laddning kan påverka beteendet hos andra molekyler och atomer genom att kombinera jod med metan och etanmolekyler som är "transparenta" för röntgenstrålar och inte svarar på sådana strålar.
Resultaten av dessa experiment visade sig vara fantastiska - bestrålning av sådana molekyler med en laser under endast 30 nanosekunder ledde till att jodatomerna förvandlades till ett slags elektriska svarta hål ett ögonblick efter att de hade genomträngts av röntgenstrålen.
Kampanjvideo:
Dessa atomer förlorade, i motsats till forskarnas förväntningar, mycket fler elektroner - inte 46 eller 47, utan 53 eller 54 partiklar. Processen slutade inte där, och jodatomerna, som supermassiva svarta hål, började dra på sig elektroner från andra delar av molekylen, sprida och "spottas ut" dem i form av strålar som liknar utstötningarna av deras kosmiska "kusiner".
Som ett resultat sönderdelades hela jodmetanmolekylen nästan omedelbart sig själv och levde bara en biljon sekund efter laserbranden. Något liknande, som forskare tror, kan uppstå när levande organismer kommer i kontakt med röntgenstrålar, och att studera denna process kommer att hjälpa oss att förstå hur vi kan minska eller neutralisera skadan från strålning.
”Jodmetan är en relativt enkel molekyl som hjälper oss att förstå vad som händer med organiska molekyler när de skadas av strålning. Vi tror att denna reaktion fortsätter ännu mer våldsamt i jodetan och andra komplexa molekyler, där jod kan avge upp till 60 elektroner, men vi vet ännu inte hur det kan beskrivas. Att lösa detta problem är vårt nästa mål,”avslutar Artem Rudenko från University of Kansas (USA), artikelens första författare.
