Химическая реакция начинается с едва уловимого движения электронов. Эти микроскопические частицы запускают процесс разрыва старых связей и образования новых, превращая одни вещества в другие. Долгое время ученые могли лишь теоретически описывать эти события, происходящие в пределах аттосекунд — миллиардных долей миллиардной доли секунды. Однако специалисты из Национальной ускорительной лаборатории СЛАК (SLAC) смогли зафиксировать движение электронов в режиме реального времени, создав настоящий «фильм» о том, как зарождается химия на квантовом уровне.

 

Как поймать электрон в момент «толчка»

Исследователи использовали метод, называемый импульсной ионизацией. Суть подхода заключается в том, чтобы извлечь электрон из молекулы быстрее, чем она успеет отреагировать на это внешнее вмешательство. В результате оставшиеся электроны оказываются в возбужденном состоянии, которое начинает стремительно меняться. Чтобы увидеть этот процесс, физики применили два рентгеновских импульса, следующих друг за другом с колоссальной точностью.

Первый импульс выбивал электрон, а второй, приходящий с задержкой в несколько аттосекунд, служил своего рода вспышкой для «камеры». С помощью метода рентгеновской абсорбционной спектроскопии ученые определяли, куда именно сместились заряженные частицы за этот крошечный промежуток времени. В итоге команда получила десять кадров, уложившихся в первые десять фемтосекунд жизни молекулы после столкновения с излучением.

 

Первые мгновения после удара

В течение первой фемтосекунды после воздействия рентгена молекула начинает «расслабляться», выбрасывая еще один электрон из внутренней оболочки. Этот процесс носит название распада Костера-Кроннига. Рожденный в ходе него электрон обладает низкой энергией, из-за чего он движется достаточно медленно. Такая особенность позволяет ему активно взаимодействовать с соседними молекулами.

Именно этим механизмом объясняется радиационное повреждение биологических тканей и разрушение цепочек ДНК. Ранее точность измерений не позволяла увидеть, как именно развивается этот эффект во времени. Теперь же специалисты впервые смогли отследить каждый шаг распада на его естественной временной шкале, что открывает новые перспективы для понимания влияния излучения на живые организмы.

 

Квантовая когерентность и её роль в химии

После того как один электрон покидает молекулу, на его месте образуется «дырка» — область, лишенная заряда. Эта дырка начинает перемещаться по молекуле, пока ее не заполнит другой электрон. Это движение обусловлено явлением квантовой когерентности. По словам ведущего ученого проекта Тарана Драйвера, понимание этого процесса критически важно для управления химическими реакциями в будущем.

Когерентность можно сравнить с волной, которая определяет вероятность нахождения частицы в той или иной точке. Наблюдения показали, что именно это явление влияет на то, как именно будут рваться и образовываться химические связи. Исследователи полагают, что, научившись контролировать когерентность, можно будет направлять ход реакции в нужную сторону, создавая вещества с заданными свойствами.

 

Когда теория встречается с реальностью

В ходе работы ученые столкнулись с интересной проблемой: реальное поведение электронов оказалось сложнее, чем предсказывали компьютерные модели. Обычно в расчетах атомные ядра считаются неподвижными, а внимание фокусируется только на определенных типах движения электронов. Однако эксперименты в ускорителе показали, что необходимо учитывать гораздо больше факторов.

Теоретики из Мадридского университета, участвовавшие в проекте, доработали математические модели, включив в них дополнительные параметры сложности. Алисия Паласиос, профессор этого университета, отметила, что такие расчеты требуют огромных вычислительных мощностей, но результат того стоит. Только так можно добиться совпадения цифр в симуляции с тем, что происходит в физическом эксперименте.

 

Технологии будущего в физике высоких энергий

Сбор данных для этого исследования начался еще в 2021 году и занял больше недели непрерывной работы. Современное оборудование ускорителя ЛСЛС (LCLS), оснащенное сверхпроводящими ускорителями с высокой частотой повторений, позволяет проводить такие измерения в разы быстрее. Сейчас пользователи установки могут получать качественные данные по самым разным молекулам за малую часть того времени, что требовалось ранее.

Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Physics, помогают пролить свет на процессы, происходящие не только в лабораториях, но и в космосе при столкновении космических лучей с атмосферой. Изучение аттосекундных процессов дает ключ к пониманию фундаментальных механизмов преобразования материи.

Современные методы зондирования материи позволяют заглянуть в самое сердце химической трансформации. Благодаря сочетанию точного эксперимента и глубокого теоретического анализа исследователи получают инструменты для предсказания поведения веществ в экстремальных условиях. Это приближает человечество к созданию новых лекарств и материалов, управляя химией на самом базовом, электронном уровне.