Ученые создали самый маленький рентгеновский интерферометр в мире
50 нанометров — это примерно одна тысячная толщины человеческого волоса. Именно такое расстояние разделяет две щели в устройстве, которое физики из Гёттингена и Гамбурга называют самым маленьким рентгеновским интерферометром в мире. Им впервые удалось измерить преломление рентгеновских лучей в масштабе нескольких нанометров, заглянув внутрь взаимодействия фотонов с атомными ядрами.
В основе прибора — знаменитый эксперимент с двумя щелями, который Ричард Фейнман называл «сердцем квантовой механики». Только вместо света видимого диапазона здесь — рентгеновские фотоны, длина волны которых примерно в тысячу раз короче. И вместо того чтобы просто пропускать лучи через обе щели, учёные поместили в одну из них атомы изотопа железа ⁵⁷Fe.
Один фотон пролетает через обе щели одновременно
Квантовая природа эксперимента поражает: каждый рентгеновский фотон «проходит» через обе щели разом. В одной из них он сталкивается с ядрами железа, и это взаимодействие слегка меняет его фазу. За щелями возникает характерная интерференционная картина — по тому, как она искажена, исследователи вычисляют величину преломления. А из неё уже извлекают данные о том, как именно фотоны взаимодействуют с атомами.
«Захватывает то, что мы работали практически с одиночными рентгеновскими фотонами», — объясняет ведущий автор работы доктор Леон М. Лозе, в прошлом сотрудник Гамбургского университета, а теперь исследователь в Гёттингене. Эксперименты проводились на синхротроне ESRF в Гренобле, где удалось создать условия для такой ювелирной точности.
Наше устройство — вероятно, самый маленький интерферометр в мире. Две щели отстоят друг от друга всего на 50 нанометров. Это одна тысячная толщины человеческого волоса.
Почему рентгеновское преломление так трудно измерить
Рентгеновские лучи преломляются крайне слабо — эффект на несколько порядков меньше, чем у видимого света. К тому же их длина волны короче типичного расстояния между атомами в веществе. Построить интерферометр, способный уловить такие микроскопические изменения, — техническая задача невероятной сложности. Даже малейшая вибрация или тепловое расширение деталей могут свести на нет все измерения.
Тем не менее, именно эти слабые эффекты несут критически важную информацию. Например, фазово-контрастная рентгеновская визуализация — метод, позволяющий получать объёмные 3D-изображения биологических образцов без их повреждения — основана именно на измерении преломления, а не простого поглощения лучей.
- Преломление даёт данные об атомном составе материала;
- Оно показывает, как атомы упакованы в пространстве;
- Это те детали, которые раньше были практически недоступны учёным.
Не только картинки, но и физика ядер
Новый метод позволяет изучать так называемые ядерные резонансы — состояния, в которых ядра атомов поглощают и переизлучают фотоны строго определённой энергии. До сих пор такие эффекты исследовали в основном через ослабление пучка, но преломление открывает принципиально иной канал информации.
«Наш эксперимент показывает, что преломление света даёт сведения, которые не извлечь из обычного измерения ослабления, — поясняет профессор Тим Сальдитт из Гёттингенского университета. — Особенно это касается резонансов атомных ядер». По сути, учёные получили спектроскоп нового типа, работающий на нанометровом масштабе.
В перспективе технология позволит систематически измерять показатели преломления различных элементов для рентгеновского диапазона. До сих пор таких точных и последовательных данных просто не существовало.
Оптические схемы на чипе для рентгена
Группа исследователей не скрывает амбиций: их работа может проложить дорогу к созданию интегральных оптических схем для рентгеновского излучения. Аналог того, что произошло с видимым светом, когда появились фотонные чипы и волноводы. Если удастся «заставить» рентгеновские лучи распространяться по управляемым траекториям на поверхности подложки, это откроет путь к компактным лабораторным приборам с чувствительностью, недоступной сегодня.
- Миниатюрные интерферометры для диагностики материалов;
- Ультраточные литографические системы для производства микрочипов;
- Компактные источники когерентного рентгеновского излучения.
Пока это лишь теоретические контуры будущего, но первый шаг уже сделан. В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics (DOI: 10.1038/s41566-026-01892-5), авторы описывают интерферометр, работающий на одиночных фотонах — это не рекорд миниатюризации ради рекорда, а необходимый инструмент для вопросов, на которые раньше не было ответов.
Что важнее: измерять ослабление пучка или его фазовый сдвиг? Физики из Гёттингена и Гамбурга склоняются ко второму — и, похоже, их новый инструмент способен перевернуть представления о том, как именно рентген «видит» материю. Осталось понять, какие ещё секреты скрываются в нанометровых зазорах, куда не добирались даже самые мощные синхротроны.
