Molekuláris fekete lyukat hozott létre a legerősebb röntgenlézer

2017.06.05. 17:58

Képzeljük el, hogy egy adott pillanatban a Földet érő összes napfényt egy körömnyi nagyságú területre fókuszáljuk. Ha a hatást megszorozzuk százzal, nagyjából kapizsgálhatjuk, mire is képes a világ legerősebb röntgenlézere.

Egy kutatás során tudósok egy csoportja úgy döntött, hogy ezt a bivalyerős lézert egyetlen molekulára irányítja. Az eredmények megdöbbentették a szakembereket, ugyanis egy molekuláris méretű (nem klasszikus értelemben vett) „fekete lyuk" jött létre, ami mindent magába szippantott a környezetéből – olvasható a Science Alert cikkében.

„A korábbi mérésekből kiindulva egyáltalán nem ilyen eredményre számítottunk" – mondta Sebastien Boutet, a Stanfordi Lineáris Gyorsítóközpont (SLAC) kutatója, a felfedezést közlő tanulmány egyik szerzője.

A lézerekkel való ilyenfajta kísérletezgetés nem számít újdonságnak, a fizikusok korábban is lődözgettek már metil-jodid-molekulákat kisebb teljesítményű lézerekkel, aminek hatására a jódatomot körülvevő elektronok leválasztódtak. Most azonban valami egészen mást tapasztaltak. 

Akár egy miniatűr fekete lyuk

Amikor Boutet és kollégái a SLAC röntgenlézerét hasonló molekulákra irányították, a jódatom egy furcsa „üres térré" vált, amely miniatűr fekete lyukként kezdte magához vonzani a molekula elektronjait. 

„A jelenség arra vezethető vissza, hogy a lézer erős töltést generált az atom belsejében, ami aztán magába szippantott minden körülötte lévő dolgot" – magyarázta a Kansasi Állami Egyetem egyik munkatársa, Daniel Rolles. Nem úgy nézett ki, mint ami le akarna állni"  – tette hozzá.

Az egész történés kevesebb mint 30 femtoszekundumig tartott (1 fs = 10-15 s). A kutatók által tanulmányozott molekuláról legalább 50 elektron szakadt le. Ez több, mint amire a korábbi, gyengébb lézerekkel végzett kísérletek tapasztalatai alapján számítani lehetett.

Forrás: DESY/Science Communication Lab

Xenonatomoknál nem ezt tapasztalták

A kutatócsoport először xenonatomokkal kísérletezett, különleges tükrök segítségével irányították rá a röntgenlézert a 100 nanométer átmérőjű területre, ami ezerszer kisebb, mint az emberi hajszál vastagsága.

A röntgenlézer szinte teljesen megszabadította a xenonatomokat az elektronoktól, ez az állapot azonban nem volt tartós, az atom külső részeiről származó elektronok hamar betöltötték a hézagokat és csak újabb lézernyalábbal lehetett kilőni őket. Minden egyes esetben csak a legerősebb kötésű elektronok maradtak a helyükön.

Ez a megfigyelés egybevágott a korábbi kisebb teljesítményű lézerekkel folytatott kísérletek során tapasztaltakkal, 

a dolgok akkor kezdtek furcsa fordulatot venni, amikor a metil-jodid-molekulákban lévő jódatomok bizarr viselkedését tanulmányozták. 

Jódbenzolnál is megfigyelték a bizarr jelenséget

Miután a jódatomot megfosztották elektronjaitól, a szomszédos szén- és hidrogénatomok részecskéit kezdte magához szívni, akár egy fekete lyuk, ha az anyag túl közel kerül a kozmikus képződmény eseményhorizontjához – vagyis a tartományhoz, ahonnan nincs visszaút.

Valamennyiszer az atom magához vonzott egy lopott elektront, a lézer újfent telibe találta, ezzel a kísérlet befejezésekor az atom összesen 54 elektront vesztett.

A kutatócsoport ugyanezt eljátszotta nagyobb jódbenzol molekulákkal is, az eredmények a fentihez hasonlók voltak. „Ilyet a fizikusok korábban még nem láttak" – összegezték a tapasztalatokat a tudósok. A molekula 62 elektronja közül 54-et lőtt el a lézer, amivel így 54-szer töltöttebb állapot jött létre, mint gerjesztetlen esetben. Ez az eddigi legextrémebb ionizációs szint, amit fény segítségével valaha is sikerült létrehozni, írták a szakértők. 

További kutatások szükségesek ahhoz, hogy a fizikusok megértsék, mi is történik pontosan. Azt gyanítják, a nagyobb jódbenzol-molekulák a metil-jodid-molekuláknál megfigyelt 54 elektronnál is többet húztak magukhoz és vesztettek el. A nagyobb molekulák esetében valószínűleg jelentősebb a hatás, csak azt nem tudják, mennyivel. 

„Úgy számoltuk, hogy a jódbenzolnál legalább 60 elektront ütöttünk ki, de nem tudjuk, a jelenség pontosan hol állt meg, mivel a molekulák szétesésénél nem tudtuk detektálni az összes lerepülő töredéket. Ez egy olyan kérdés, amit tovább kell boncolgatni" – írta Artem Rudenko, a Kansasi Állami Egyetem munkatársa.

A publikáció a Nature magazinban jelent meg.