Как расщепляют мгновение - Игорь Иванов

Бактериородопсин — это вообще уникальный белок, у него много интересных физических свойств есть. Ну, реально в природе он вырабатывается определенным типом бактерий, и причем он встроен в их мембрану, то есть он сидит в мембране, и делает он следующую функцию. Это светочувствительный белок: когда его освещают светом, в нём запускается цикл, то есть каскад процессов, перестройки, разнообразные переконфигурации этого белка, результатом которого является передача протона от одного конца молекулы к другому. Ну и поскольку у нас этот белок встроен в мембрану, получается, что при освещении этот белок работает как протонный насос. То есть он из одной части, из одной области прокачивает протоны в другую область и там их отпускает, снова берет протон, перекачивает в другую и отпускает.

Конечно, это очень важно для биологии, это один из фундаментальных процессов в биологии. Поэтому, конечно, физики и, там, биофизики это активно всё изучали. Вот выяснилось, что есть много разных стадий, здесь примерно нарисовано, я не расшифровываю, что это такое, просто типичные стадии, типичные времена, в течение которых эти стадии все проходятся. И оказалось, что в этом белке, на самом деле, есть стадии с совершенно разным временным масштабом. То есть вообще весь цикл проходит примерно за 20–30 миллисекунд, то есть достаточно медленно. Но определенные этапы проходят за микросекунды, а некоторые шаги в этих этапах проходят даже за наносекунды и даже за пикосекунды, то есть есть целый диапазон в 12 порядков разнообразных переходов в этой молекуле. Ну и оказалось, что самые-самые первые явления, то есть самый первый отклик этой молекулы на свет, когда только-только ее осветили, вот он протекает буквально за считанные пикосекунды, за 1–2 пикосекунды. И для того чтобы разобраться в динамике этого процесса, требуется методика, которая позволяет зайти глубже, чем пикосекундный диапазон, тр есть в фемтосекундный диапазон, хотя бы сотни или десятки фемтосекунд желательно разглядеть с помощью этой методики.

Вот, ну, как я уже говорил, идея, которая здесь была применена, — очень простая. Если у вас есть перемещение зарядов, а в этой молекуле есть, естественно, перемещение зарядов, то у вас может возникать излучение. Вопрос: какого оно диапазона? Значит, если речь идет про пикосекундный диапазон времен, то одной пикосекунде, если пересчитать это в частоту, отвечает 1012 Гц, то есть это первое герцовое излучение. Ну, как мы слышали, на языке астрономов это называется дальний инфракрасный диапазон. То есть длина волны сотни микрон. Ну и вообще это очень тяжелый для изучения диапазон, как в астрофизике, так и, в принципе, в обычной физике. Вот, то есть в течение долгого времени не было не только надежных методов детектирования слабых терагерцовых импульсов, даже надежных методов генерации слабых терагерцовых импульсов. Поэтому прогресса большого не было. Вот буквально последние 5-10 лет наметилось несколько новых концепций, с помощью которых можно излучать эти терагерцовые волны и детектировать их тоже. То есть сейчас большой проблемы это не представляет.

Итак, если у нас тут будут процессы с типичным временем порядка пикосекунд или долей пикосекунд — то есть это значит, что будет производиться вспышка терагерцового излучения, — вот если эту вспышку задетектировать и промерить, то можно узнать многое... и сравнить с теоретическими расчетами — можно узнать много про динамику перемещения зарядов в этой молекуле. Ну, конечно, нереально от одной молекулы увидеть вспышку терагерцового излучения, особенно с учетом того, что оно плохо детектируется, поэтому здесь на помощь пришел тот факт, что эти молекулы можно концентрировать и выстраивать их примерно, ну, в одном направлении. И поэтому когда у вас есть вспышка света, которая инициирует процессы, то она сразу инициирует процессы в этих тысячах, миллионах молекул. И они все начинают излучать терагерцовое излучение, причем излучение это идет когерентно, то есть сразу со всей пленочки. И вот этот импульс уже можно задетектировать.

Вот картинка этого импульса, который получен в эксперименте. Здесь у нас пикосекунды, здесь, ну, электрическое поле в терагерцовом импульсе, вот эти зелененькие — это точки экспериментальные, видите с какой плотностью они стоят, то есть у нас на каждую пикосекунду приходится, ну, пара десятков этих точечек. И это необходимо, потому что иначе такую быструю динамику просто было бы не заметить. Вот. На эти точки здесь наложено несколько кривых. Что это за кривые — не сильно важно, просто видно, что разные теоретические подходы к описанию отклика этой молекулы, скажем, с учетом переноса электронов или протонов или того и другого вместе дают немножко разные предсказания, и самые лучшие предсказания дает кривая, которая учитывает, скажем, перенос и электронов и протонов. То есть это может показаться каким-то мелким вопросом, но я хочу, чтобы вы обратили внимание на саму методику. То есть с помощью внимательного изучения этого профиля и сравнения с теорией мы можем действительно много что узнать про субпикосекундные явления, то есть про явления, длящиеся сотни фемтосекунд. Вот ссылка на эту статью.

Аттосекунды

Так. Значит, дальше. Хорошо. Ну, фемтосекунды мы прошли, но на этом спектр еще не заканчивается, диапазон времен идет дальше. Следующими идут аттосекунды (1 ас = 10–18 с). Аттосекундный диапазон — это нечто совсем уже передовое, то есть буквально последние годы люди только-только залезли в аттосекундный диапазон с помощью импульсов рентгеновского или далекого ультрафиолетового излучения. То есть сейчас действительно уже можно получать импульсы длительностью в сотни аттосекунд — скажем, 300, 400 аттосекунд — ну и с помощью них изучать процессы, которые происходят тоже на этом масштабе.

Ну, как я уже говорил, на аттосекундном масштабе уже никакого движения атомов совершенно нет, да и электроны, в общем-то, уже почти неподвижны, даже если они не в стационарных слоях. Единственное, что хоть как-то движется на этих масштабах, — это самые-самые внутренние электроны, то есть самые быстрые, самые внутренние электроны в многоэлектронных атомах. И здесь полезно подчеркнуть, что для того чтобы просто оценить, какие явления там происходят, а какие можно считать остановившимися, полезно смотреть не на расстояния, а полезно смотреть на энергии, которые используются в этих процессах.

Значит, здесь мы немножко уже залезаем в область квантовой механики. В квантовой механике есть такое соотношение определенности между энергией и временем, которое можно сформулировать так, что если у вас есть какой-то процесс, в котором у вас имеются переходы между энергиями с типичной разностью Е, то этот процесс у вас не может длиться меньше, чем h делить на Е, где h — постоянная Планка. И примерная линейка пересчета вот такая, то есть по порядку величины явления, которые протекают на внешних атомных оболочках, то есть затрагивают порядка электронвольт, длятся типичное время фемтосекунды. Явления, которые происходят на самых внутренних оболочках, длятся типичное время аттосекунды. И вот пример одной из работ, в которой люди залезли прямо в аттосекундный диапазон и смогли что-то узнать. Это динамика Оже-эффекта.

Оже-эффект — это достаточно простой эффект. Это двухэлектронная ионизация атома и поглощение рентгеновского фотона. Значит, когда у вас попадает какой-то фотон, он может поглотиться электронами, например самым внутренним электроном. При этом, если энергии достаточно, этот электрон может просто вылететь из атома и улететь, да? На его месте образуется вакансия, она очень глубокая, у нее очень большая энергия связи и она не может жить долго. Эта вакансия заполняется каким-либо из более высоких электронов, то есть этот электрон падает сюда, и, когда он падает, он испускает свой фотон. Так вот, этот фотон не всегда улетает прочь, а иногда может перепоглотиться вновь внутри этого же атома — скажем, каким-нибудь совсем внешним электроном. И тогда этот совсем внешний электрон, который называется Оже-электрон, тоже вылетает из атома. И энергия этих двух электронов — первичного и Оже-электрона — она скоррелированная и она связана с энергией этого падающего фотона.

Значит, это интересный процесс, который рассказывает вам о том, как у вас перетекают электронные плотности внутри атома. И теоретические оценки говорят о том, что — ну, для типичных многоэлектронных атомов — это времена порядка единиц фемтосекунд, может быть даже меньше. Поэтому для того, чтобы в деталях его проследить, требуется техника, с помощью которой мы можем заглянуть внутрь фемтосекунды, то есть в сотни, хотя бы в сотни аттосекунд.