Один рентгеновский импульс показал наноструктуры плазмы разных размеров
Японские физики из Национального института термоядерных исследований (NIFS), Осакского университета и ряда других организаций впервые одновременно измерили структуры плазмы в диапазоне от 10 до 500 нанометров с субпикосекундным временным разрешением — используя единственный импульс рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) и одну камеру. Работа опубликована в журнале Communications Physics (Nature Portfolio), DOI: 10.1038/s42005-026-02872-5, 2026 год. Работу возглавили Масато Ота и Ёити Сакава.
Почему это технически трудно
Плазма — ионизированный газ, в котором возникают структуры разных размеров. При этом плазма в экстремальных условиях — например, в термоядерных реакторах или в ходе экспериментов по взаимодействию лазера с веществом — меняется за триллионные доли секунды. Чтобы «поймать» её мгновенный снимок, нужен очень короткий и очень яркий зонд.
Прежде для получения полной многомасштабной картины требовались либо несколько разных детекторов, либо несколько экспериментов с разной настройкой. Всё это означало либо неполноту данных, либо невозможность наблюдать один и тот же момент в разных масштабах одновременно.
Метод: один импульс — один многомасштабный снимок
Решение группы Масато Оты основано на методе малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) — но реализованном так, чтобы одна камера улавливала одновременно рассеяние от структур разного размера. Один импульс рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) освещает образец плазмы и формирует картину рассеяния сразу во всём диапазоне 10–500 нм с временным разрешением менее пикосекунды (10⁻¹² секунды).
Важная деталь о динамике: авторы подчёркивают, что один импульс даёт один многомасштабный снимок, зафиксированный в один конкретный момент времени. Чтобы восстановить эволюцию процесса во времени, нужно провести серию экспериментов, меняя задержку между фемтосекундным лазером (который создаёт плазму) и рентгеновским импульсом (который её зондирует). Весь «фильм» собирается из многих таких снимков, а не получается за один выстрел.
В обычной схеме сильный центральный пучок перекрывают, чтобы защитить камеру. Авторы заменили непрозрачный экран системой ослабляющих металлических фильтров: они уменьшили интенсивность центральной части сигнала и позволили зарегистрировать ранее скрытые участки картины рассеяния.
Что измерили в экспериментах:
- Структуры плазмы от 10 до 500 нм в одном эксперименте
- Временное разрешение — субпикосекундное
- Диапазон охватывает как нанометровые, так и субмикронные масштабы одновременно
Где это может пригодиться
Авторы называют два главных направления применения. Во-первых, исследования взаимодействия плазмы со стенками камер термоядерных реакторов: метод может помочь изучать образование и изменение мелких структур плазмы. Во-вторых, биологические образцы: живые клетки имеют структуры, охватывающие аналогичный диапазон масштабов, и метод в перспективе может позволить изучать их с меньшим числом рентгеновских воздействий.
Читайте также: Лазер LCLS создал жёсткие рентгеновские импульсы длиной от 100 аттосекунд.
В обоих случаях речь идёт о возможных применениях, требующих дальнейшей экспериментальной проверки, — не о готовых коммерческих или медицинских устройствах.
