Типова голограма вибухає кульки субмікронних розмірів. Обробивши її, можна отримати як розподіл яскравості, так і фазову картину. Зображення з обговорюваної статті
Продемонстрована в дії новий метод дослідження речовини - рентгенівська голографія на масштабі в десятки нанометрів з тимчасовим дозволом в частки пікосекунди. У перспективі можлива голографічна візуалізація атомних процесів.
Фотографування предметів - найпростіший спосіб зберегти інформацію про форму досліджуваного предмета. Однак розглядаючи фотографію, людина бачить лише точки на фотографії, але не самі предмети. Просторовий хід променів від розташованих віддалік предметів і від фотографії з їх зображенням - різний.
З точки зору фізики, хід променів в просторі визначається розподілом фази світлової хвилі. При фотографуванні зберігається лише інформація про яскравість світла, а розподіл фаз втрачається. Саме тому світло від фотографії розходиться зовсім не так, як спочатку він йшов від предметів.
Розподіл фази можна відобразити за допомогою голографії. У цьому методі екран (фотоплівка, матриця цифрової камери, і т. Д.) Висвітлюється одночасно двома променями: прямим опорним променем, а також реєструє променем, який попередньо відбився від предмета. Накладаючись, ці два промені інтерферують, і на екрані з'являються світлі й темні смуги або інші області хитромудрої форми. Інтерференція - це хвильове явище, і тому вона чутлива до фази світлової хвилі. Яскравість і розташування цих світлих і темних областей якраз кодує повну інформацію про предмет, принесену реєструючим променем.
Тепер цю інтерференційну картину можна сфотографувати на негатив, а потім висвітлити його «відновлює» променем світла. Пройшовши крізь голограму, він створить розподіл світлових променів в просторі, повністю ідентичне картині світлових променів під час запису. Світлові промені будуть йти рівно так само, як якби предмети дійсно були. Розглядаючи такий розподіл світла, людина побачить справжнє тривимірне зображення.
Все це добре відпрацьовано на звичайних, макроскопічних предметах. А чи можна одержати голограму мікроскопічних об'єктів? живої клітини? окремої молекули?
Послідовні етапи надшвидкісний і надмініатюрний голографії. Зображення з обговорюваної статті
Мабуть, найбільш вражаючою особливістю цієї роботи є простота установки. Досить приготувати спеціальну шарувату мішень, налаштувати рентгенівський лазер (це установка FLASH в німецькому дослідницькому центрі DESY) і підставити цифрову камеру рентгенівського випромінювання, а далі всю роботу бере на себе потужний і дуже короткий рентгенівський імпульс. Він сам ініціює вибух кульки, а також відіграє роль як опорного, так і реєструючого променя при отриманні голограми. Постановка експерименту настільки витончена, що на ній варто зупинитися докладніше.
Спочатку експериментатори приготували мета- «слойку». Вона складалася із спеціального дзеркала, що відображає м'які рентгенівські промені, і тонкої плівки з налиплими на неї полістиролові кульки. Плівка розташовувалася трохи попереду дзеркала; зазор між ними можна було змінювати від 0,03 мм до 1,2 мм. Прямо на цю слойку падав дуже короткий і потужний імпульс рентгенівського випромінювання, і при цьому відбувалася ланцюг цікавих явищ (див. Малюнок).
Коли імпульс досягав плівки, полістироловий кулька поглинав частину випромінювання, його температура різко підвищувалася, і за кілька пикосекунд він вибухав. Однак з точки зору рентгенівського імпульсу цей вибух може зайняти певний час. Імпульс за цей час встигає дійти до дзеркала, відбитися назад і знову пройти крізь який вибухає кулька. Час, який імпульс витрачає на цей шлях, залежить від ширини зазору: чим він ширше, тим більше затримка, і значить, тим в більш пізній стадії вибуху імпульс «побачить» кульку на шляху назад.
При такій методиці дзеркало потрібно тільки лише для фіксованої затримки між двома моментами проходження. Після першого проходження з'являється опорна хвиля (синя смужка на малюнку), а після другого - «предметна» хвиля (червона смужка). Ці дві хвилі накладаються і інтерферують один з одним. Імпульс потім доходить до цифрової камери і залишає в ній зображення інтерференційних смуг. Виходить справжнісінька рентгенівська голограма вибухає кульки в якийсь певний момент часу після початку вибуху.
Які перспективи вимальовуються у цієї методики? По-перше, вже в такому вигляді вона дозволяє побачити у вигляді об'ємного зображення ультрашвидкі процеси на субмікронних масштабі відстаней, викликані потужним випромінюванням. Якщо ж запускати швидкий процес якимось іншим способом, а імпульсу залишити тільки роль «рентгенівської спалаху», то можна спробувати голографічно розгледіти, наприклад, динаміку формування тріщин в тендітних тілах або надшвидкі фазові перетворення в ударних хвилях.
По-друге, немає ніяких принципових обмежень на подальше зменшення розмірів предметів і тривалості процесів. Описані досліди проводилися з лазером на довжині хвилі 32 нм, але вже зараз є лазери з довжиною хвилі всього 2 нм, а в майбутньому можна розраховувати і на атомні розміри. Зменшити тривалість імпульсу до декількох фемтосекунд (а це характерний період коливань окремих атомів) теж не складе проблеми. Все це дозволить голографічно побачити в динаміці поведінку окремих молекул.