В немецком исследовательском центре по физике частиц DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) в Гамбурге начал работу самый мощный и самый быстрый в мире рентгеновский лазер на свободных электронах, в создание которого значительный вклад внесла Россия. По сути это рентгеновская кинокамера, способная снимать в реальном времени перестройку атомов в молекулах веществ при химических реакциях и биохимических процессах в живых тканях и организмах.
Фото: DESY
Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European X-ray Free Electron Laser, или коротко XFEL) на сегодня является высшим достижением в новой области физики — релятивистской электронике, где основным инструментом исследований служат лазеры на свободных электронах. Принцип их действия основан на том, что движущаяся заряженная частица (в данном случае электрон) приводится с помощью системы специальных устройств — ондуляторов — в колебательное движение поперек направлению движения. При этом возникает излучение, направленное вперед по направлению движения частицы. Проще говоря, электроны в XFEL разгоняются до релятивистских (сравнимых со скоростью света) скоростей, а их опережают и вырываются из лазера пучки рентгеновского излучения с заданной частотой.
Частота вспышек XFEL достигает 27 тысяч в секунду при длине волны от 0,05 до 6 нм. Эти параметры лазера позволяют вести рапидную съемку с разрешающей способностью на уровне атома таких быстрых процессов, как разрыв старых и формирование новых химических связей в молекулах веществ при химических реакциях. Снимать практически в реальном масштабе времени процессы проникновения вирусов в клетки и реакции на это белковых молекул клеточных мембран и многое другое, о чем ранее можно было судить только по косвенным признакам и по конечному результату. Востребован будет лазер и физиками высоких энергий, астрофизиками, геофизиками и экзобиологами. Он может генерировать вспышки настолько сильные, что с их помощью можно моделировать условия в недрах звезд и планет.
В инженерном плане лазер XFEL представляет собой линейный ускоритель в трехкилометровом тоннеле, который тянется от старой лаборатории DESY в Гамбурге до района Шёнефельд, где построены административные здания, экспериментальные станции и лаборатории. В строительстве этого фантастического прибора, которое от проекта до запуска продолжалось почти 15 лет, принимали участие 12 европейских стран, но наибольший вклад в него внесли Германия и Россия — как в финансовом (57% и 26% от общей суммы в 1,4 млрд евро соответственно), так и в научном плане. Его строительство было закончено в 2016 году, потом почти год шли наладочные работы. Официальная церемония открытия XFEL прошла в прошлом месяце, а сейчас начались первые эксперименты.
Европейский лазер XFEL — яркий пример успешно реализованного международного научного мегапроекта, без которых сложно представить себе современную физику. Точно так же, как сложно представить себе такие мегапроекты без участия России, а в данном случае просто немыслимо. Ведь благодаря работам наших ученых Франка, Фабриканта, Жаботинского, Басова и Прохорова, собственно, и появились лазеры, а российская школа лазерной физики была и остается одной из ведущих в мире.
Сергей Петухов