Николай Кабачник, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ: "Новый метод поможет учёным измерять спиральность рентгеновских лучей"

28 апреля 2014
Николай Кабачник, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ, д. ф.-м. н.

Сотрудник НИИЯФ МГУ Николай Кабачник совместно с коллегой из Санкт-Петербургского университета Андреем Казанским предложили и теоретически обосновали метод обнаружения и измерения спиральности, или циркулярной поляризации, рентгеновских лучей, который открывает новые возможности в биохимии, физике и прикладных науках. Российские физики-теоретики совместно с международной группой исследователей во главе с учёными Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European XFEL) апробировали предложенный метод в условиях реального эксперимента. Эксперимент проводился в международном исследовательском центре «Elettra Sincrotrone» в Триесте (Италия) на лазере на свободных электронах FERMI. Отчёт об исследовании опубликован на днях в журнале Nature Communications.

О том, почему биологам, физикам, фармацевтам и парфюмерам важно знать циркулярную поляризацию рентгеновских лучей, и в чём заключается метод её обнаружения и измерения, популярно рассказал ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ доктор физико-математических наук Николай Кабачник.

- Николай Мартинович, для начала поясните, пожалуйста, доступно для широкой аудитории, что такое циркулярная поляризация, или спиральность, рентгеновских лучей?

- Рентгеновские лучи - это электромагнитное излучение, которое обладает очень важным свойством – поляризацией. Оно заключается в том, что электрическое поле в электромагнитной волне излучения колеблется ориентированно в пространстве. Если электрическое поле колеблется в одной плоскости, то говорят о линейной поляризации. Свет, линейно поляризованный в двух перпендикулярных направлениях, например, используется в трёхмерном кино. А если электрическое поле закручивается, как штопор, то говорят о циркулярной поляризации, её ещё называют спиральностью и круговой поляризацией. Различают правую циркулярную поляризацию, если электрическое поле крутится в правую сторону, по часовой стрелке; и левую циркулярную поляризацию, если оно крутится против часовой стрелки. Это характерно для всех видов электромагнитного излучения, в том числе и для рентгеновских лучей.

- А где применяются циркулярно-поляризованные рентгеновские лучи?

- Циркулярно-поляризованный свет, в том числе и рентгеновское излучение, очень важный инструмент, например, для изучения биологических молекул, из которых мы состоим. Дело в том, что очень многие биологически важные молекулы могут существовать в двух зеркально-симметричных формах: правой или левой. Свойство молекул существовать в правой и левой формах называют хиральностью. Одна из больших загадок природы: почему всё живое на Земле состоит из молекул, в состав которых входят аминокислоты только левых форм, а правых – нет. Правые можно получать в лаборатории, причём если не принимать каких-то специальных мер, то при синтезе в лаборатории всегда получается одинаковое количество левых и правых молекул. Если в живых существах аминокислоты встречаются только левых форм, то сахара - только правых. Это большая загадка. Почему так? Существуют теории, связывающие преимущественно правые (или левые) формы молекул живых существ, с происхождением жизни на Земле. А чтобы исследовать право-левую асимметрию молекул надо использовать циркулярно-поляризованное излучение, только оно оказывается чувствительным к хиральности молекул. Кстати, Вы пользуетесь парфюмерией?

- Да.

- Оказывается, что более 800 молекул, которые используются в парфюмерной промышленности, хиральны, то есть имеют правую или левую форму. И от того, содержит ли парфюмерный продукт правую молекулу или левую, зависит запах. Правая молекула может дать вам приятный аромат, а левая, такая же по составу (!), – отвратительный запах. Поэтому для парфюмерной промышленности очень важно уметь различать правые и левые формы молекул. А как их различать? С помощью циркулярно-поляризованного излучения.

Ещё одно применение - в фармацевтике. До 70% лекарств, продающихся в аптеках, содержат хиральные компоненты. Причем правые и левые молекулы одного и того же вещества обладают, как правило, разной биологической активностью, то есть в зависимости от того, правое ли вещество входит в лекарство или левое, действовать лекарство будет по-разному на человеческий организм. Поэтому при поиске новых фармацевтических препаратов очень важно уметь различать правые и левые формы молекул. А это, как Вы уже знаете, можно делать с помощью циркулярно-поляризованных рентгеновских лучей.

А теперь перейдём к нашим задачам. Сейчас созданы очень мощные источники рентгеновских лучей, чудовищной интенсивности, которые раньше не снились экспериментаторам. Это не слабенькие рентгеновские лучи, которыми Вас просвечивают в поликлинике. Там они слабенькие, чтобы Вам не повредить. Для физических исследований нужны более мощные источники. Вот сейчас придумали потрясающие, совершенно новые и очень мощные источники, которые называются лазерами на свободных электронах. Сокращенно FEL - Free Electron Laser. Есть такой FEL уже в Америке, есть в Германии, в Японии, в Италии. Сейчас строят в Швейцарии. Я сотрудничаю с институтом, который строит Европейский FEL - Европейский лазер на свободных электронах, который будет в Гамбурге. Это будет гигантское сооружение, почти три с половиной километра длиной. Такая труба огромная, из которой будут вылетать мощные импульсные пучки рентгеновских лучей. Эти рентгеновские лучи направляют на исследуемый объект, например, на вирусы или биомолекулы. Почти все FELы, которые существуют сейчас, дают рентгеновские лучи только линейно поляризованные, нет циркулярно-поляризованных. А как я Вам пояснил, для исследований очень важно иметь циркулярно-поляризованные рентгеновские лучи. Единственная такая машина, которая получает циркулярно-поляризованный мягкий рентген, находится в Италии, в Триесте.

- Если уже есть эта установка, и Вы на ней свой метод апробировали, то зачем строить ещё одну в Гамбурге?

- В Триесте маленькая машина, у неё энергия маленькая. А в Гамбурге строится очень большая машина, у которой энергия рентгеновских фотонов будет раз в сто больше. Это то, что называется жёсткий рентген, с очень короткой длиной волны. А это важно вот для чего: для того чтобы изучать очень маленькие объекты, совсем крошечные, гораздо меньше микрона, размером в одну молекулу. Для того чтобы разглядеть детали таких объектов, надо иметь очень короткую длину волны. Если будут длинные волны, то вы детали не разглядите. Длинная волна маленький объект огибает и никак с ним не реагирует. А короткая волна на объект наткнётся, от него отразится – стало быть, вы зарегистрируете то, что произошло. Поэтому чем мельче объект вы хотите исследовать, тем короче должна быть длина волны и жёстче рентген. Большая машина, которую в Гамбурге строят, направлена на исследование очень маленьких объектов – биомолекул. Ещё важна интенсивность пучков, чтобы выходило большое число рентгеновских импульсов в секунду. Мы хотим стрелять не из ружья, а из пулемёта с большей поражающей способностью. Существующие машины – это «ружья», они производят около 100 импульсов в секунду; а машина в Гамбурге, которая заработает, я надеюсь, в семнадцатом году, – «пулемёт», он будет выдавать 27000 импульсов в секунду. Ясно, что при такой «скорострельности» нужная информация будет набираться гораздо быстрее.

- Расскажете о методе, который разработали и апробировали на установке в Триесте.

- Года три тому назад два теоретика из всей группы авторов статьи, это мой друг и коллега из Петербургского университета Андрей Казанский и я, предложили метод измерения циркулярной поляризации с помощью измерения дихроизма. Кстати, что такое дихроизм? Это когда объект поглощает разное количество право-поляризованного света и лево-поляризованного света. В природе дихроизм довольно часто встречается. Например, полевой шпат по-разному поглощает правый и левый поляризованный свет. Дихроизм в науке хорошо известен. Мы предложили использовать дихроизм для измерения циркулярной поляризации мягких рентгеновских лучей. В принципе, метод можно использовать и для жёсткого излучения, но более актуально для мягкого рентгена, потому что для него нет хороших анализаторов циркулярной поляризации, или поляриметров. А это важно, так как от степени циркулярной поляризации и от направления вращения электрического поля, зависят результаты экспериментов над молекулами.

- Сам механизм можете рассказать?

- Для того чтобы измерить степень циркулярной поляризации рентгеновского импульса, его направили на мишень – атомы гелия. Под воздействием рентгена из атома гелия вырывается электрон и образуется ион. Ион и электрон «запоминают» циркулярную поляризацию упавшего рентгена, но мы её не можем никак увидеть, точно так же, как в старые времена не могли увидеть изображение на фотографической плёнке, пока её не проявили. Чтобы «проявить» то чувство вращения, которое рентгеновский импульс передал системе электрон-ион, мы одновременно с рентгеновскими лучами освещали мишень инфракрасными импульсами мощного лазера с известной циркулярной поляризацией. Дело в том, что инфракрасные лучи гораздо легче и поляризовать, и измерять их поляризацию. Мы можем получить 100-процентно правый или 100-процентно левый циркулярно-поляризованный инфракрасный пучок. Узнать о том, вращаются ли поля в рентгеновском пучке и в инфракрасном в одну сторону или в противоположные, можно по тому, как вылетают электроны, каково их распределение по углу вылета. Сравнивали, конечно, с теорией. А мы, теоретики, нарисовали, что должно быть. Сравнение теории с экспериментом позволило определить степень циркулярной поляризации рентгеновского пучка.

Пользуясь нашим методом, исследователи перед тем, как делать свои эксперименты с молекулами, могут проверить: какой поляризации у них пучок - правой или левой, и какова степень поляризации; ну и дальше действовать, соответственно.

- Будет продолжение?

- Коллеги, которые работают на ускорителе в Триесте, очень заинтересовались нашим методом. Им надо знать поляризацию своего рентгеновского пучка. Они должны гарантировать пользователям, что пучок право- или лево-поляризован с определённой степенью поляризации. Гарантировать они могут только померив. В физике на слово не верят. Я думаю, что будут эксперименты продолжаться.

- Успехов вам.

- Спасибо.