Когерентное синхротронное излучение (КСИ) обладает уникальными
свойствами, которые делают его незаменимым инструментом в современной
физике, химии, материаловедении и биологии. В отличие от обычного
синхротронного излучения, КСИ характеризуется высокой степенью
пространственной и временной когерентности, что позволяет получать
сверхвысокое пространственное разрешение и проводить эксперименты с
точностью до атомарного масштаба.
Рентгеновская
дифракция с высокой разрешающей способностью
КСИ широко используется для рентгеновской дифракции на кристаллах и
наноструктурах. Высокая когерентность излучения позволяет:
- Получать фазовую информацию, необходимую для
реконструкции электронной плотности объектов без необходимости
использования сложных фазовых методов.
- Регистрировать малые отклонения в структуре, такие
как дефекты кристаллической решётки, с точностью до единиц
нанометров.
- Применять методы когерентной дифракционной микроскопии
(CDI), которые позволяют получать двух- и трёхмерные
изображения объектов на наноуровне без использования линз.
Ключевой особенностью является возможность получения
интерференционных паттернов, которые несут информацию о
фазах и амплитудах рассеянного излучения, что невозможно при
некогерентном освещении.
Спектроскопия и
изучение динамических процессов
КСИ позволяет проводить высокочувствительную спектроскопию,
включая:
- Рентгеновскую спектроскопию поглощения (XAS) и
рассеяния (RIXS) с микросекундным временным
разрешением.
- Исследование ультрафастных процессов, таких как
переходные состояния в химических реакциях и структурные перестройки в
материалах.
- Наблюдение динамики магнитных и электронных систем
с высокой пространственной и временной разрешающей способностью.
Когерентное излучение обеспечивает возможность выделения слабых
сигналов, которые в некогерентных экспериментах теряются на фоне
шумов.
Когерентная рентгеновская
микроскопия
Когерентные рентгеновские методы дают возможность проводить
нелинейную микроскопию, включая:
- Лэнцеровские методы для отслеживания локальных
изменений плотности и структуры.
- Стереоскопическое и фазово-контрастное изображение
биологических объектов без необходимости окрашивания или разрушения
структуры.
- Исследование полимеров, наночастиц и мягких
материалов с высоким контрастом и разрешением.
Применение КСИ в рентгеновской микроскопии позволяет решать задачи,
недоступные традиционным оптическим или электронным микроскопам.
Интерферометрия и
измерение деформаций
КСИ является идеальным источником для интерферометрии на
наномасштабном уровне:
- Позволяет измерять микродеформации и внутренние
напряжения в кристаллах.
- Используется для определения тепловых и механических
колебаний в материалах.
- Способствует разработке высокоточных оптических элементов и
голографических систем.
Применение интерферометрии на когерентном синхротронном излучении
позволяет проводить калибровку и контроль устройств с атомарной
точностью.
Фокусировка и нанофабрикация
КСИ применимо для создания и изучения наноструктур:
- Используются зонные пластины и мультиплексные фокусирующие
элементы для концентрирования излучения на участках размером
менее 100 нанометров.
- Нанофабрикация с использованием рентгеновского луча
позволяет создавать структуры с высокой точностью, необходимой в
микроэлектронике и фотонике.
- Возможность исследования электронных и магнитных свойств
наноструктур в реальном времени.
Медицинские и
биологические приложения
КСИ также находит применение в биологии и медицине:
- Исследование структур белков и нуклеиновых кислот
на уровне атомов.
- Анализ жидких кристаллов и мембранных систем без
разрушения образцов.
- Разработка методов рентгеновской томографии с фазовым
контрастом, позволяющей визуализировать мягкие ткани с высоким
разрешением.
Методы
корреляции и изучение хаотических систем
Высокая когерентность позволяет применять методы динамической
рентгеновской корреляции (XPCS):
- Изучение динамики частиц в коллоидах, гелях и
полимерах.
- Определение временных шкал флуктуаций на нано- и
микромасштабах.
- Исследование стохастических процессов в материалах
и жидких средах с высокой точностью.
Методы корреляции используют когерентное излучение для анализа слабых
сигналов и временных изменений, недоступных традиционными методами.
Когерентное синхротронное излучение открывает принципиально новые
возможности в науке: оно сочетает высокую яркость, пространственную и
временную когерентность, что делает его незаменимым инструментом для
исследований на атомном и нанометровом уровнях, а также для динамических
экспериментов в сложных системах.