Научная
деятельность
Университет ИТМО

Российские ученые впервые провели самостоятельный эксперимент на базе крупнейшей установки European XFEL

European XFEL это исследовательская мегаустановка с самым мощным в мире рентгеновским лазером на свободных электронах, предназначенная для наблюдения за ходом химических реакций, расшифровки структуры биологических объектов и решения других актуальных задач. Ранее российские ученые уже входили в качестве участников в совместные международные проекты, а в октябре 2018 года ученые Университета ИТМО получили полный самостоятельный доступ к оборудованию и провели исследование нового класса материалов. Их работа поможет определить его потенциальное использование в электронике и медицине.

Об XFEL

European XFEL — это международный проект по созданию самого крупного в мире рентгеновского лазера на свободных электронах, предназначенного для решения огромного количества задач в области фундаментальной и прикладной науки, а также медицины и передовых технологий. Проект был разработан в исследовательском центре DESY. Строительство шло с 2009 по 2017 год и потребовало более одного миллиарда евро. В финансировании принимали участие несколько стран, в том числе и Россия, взявшая на себя 27% затрат. Официальное открытие европейского рентгеновского лазера на свободных электронах состоялось 1 сентября 2017 года в Гамбурге.

Лазерная установка длиной более трех километров расположена в Германии на глубине от 6 до 38 метров под землей: от лаборатории DESY в Гамбурге до окраины Шенефельда, где на территории 15 га построены административные здания, экспериментальные станции и лаборатории.

Работа российских ученых на установке осуществляется под эгидой национальной научно-образовательной ассоциации «Исследовательские установки мега-класса», которая координируется Национальным исследовательским центром «Курчатовский институт». Университет ИТМО выступает участником ассоциации, главная задача которой — готовить проекты для их реализации на XFEL и других мегаустановках.

European XFEL. Источник: media.xfel.eu
European XFEL. Источник: media.xfel.eu

В Университете ИТМО еще в 2015 году было организовано новое подразделение — Транснациональный научно-образовательный UniFEL-центр перспективных методов исследования материалов. Для этого Университет ИТМО и Технический университет Фрайберга (TU Bergakademie Freiberg) заключили соглашение о сотрудничестве: российские и немецкие ученые будут совместно готовить объекты для дальнейших экспериментов на XFEL, а также разрабатывать совместные образовательные магистерские и аспирантские программы.

Научные цели и сложность доступа

В марте 2018 года ученые Университета ИТМО выиграли заявку на проведение исследований кристаллической структуры и состава нановискеров на базе XFEL. Нановискеры, или нитевидные нанокристаллы, — это наноматериалы с высоким пространственным, энергетическим и временным разрешением электронной структуры и атомного строения. От других материалов их отличает идеальность кристаллической решетки — атомы нановискеров расположены именно там, где должны, без дефектов. В последнее время нанокристаллы вызвали интерес ученых из разных стран. Среди их применений — различные области электроники, медицины и квантовой информатики. В частности, новые способы передачи данных с помощью одиночных фотонов.

Чтобы эффективно управлять свойствами нановискеров, ученым необходимо провести изучение их кристаллической структуры и различных свойств: электронных, оптических и механических. Лучшее место для проведения подобных исследований — Европейская установка XFEL. Однако получить доступ к работе на станции — сложная задача.

Нановискеры
Нановискеры

«График работы на объекте XFEL расписан на год вперед. Это очень дорогая установка, и не каждая команда исследователей может получить к ней доступ. Специальная комиссия занимается отбором заявок, и статистика такова, что только 20% исследований получают шанс поработать с самым крупным лазером в мире», — рассказывает о работе станции руководитель UniFEL-центра, декан факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Алексей Романов.

Команда ученых Университета ИТМО — первая российская группа, заявку которой одобрила комиссия. Ранее отечественная ученые проводили исследования только в составе международных проектов.  Исследование нановискеров как проект на XFEL целиком продумал российский ученый профессор Университета ИТМО Владимир Дубровский.

Ход эксперимента

В октябре 2018 года в Гамбург на XFEL отправилась работать группа ученых Университета ИТМО: соруководитель UniFEL-центра профессор Сергей Молодцов и сотрудники Международного научного центра функциональных материалов и устройств оптоэлектроники – профессор Георгий Цырлин и аспирант Роман Резник. В исследованиях также принимал участие Владимир Строков, сотрудник швейцарского научного центра Paul Scherrer Institute.

Роман Резник
Роман Резник

Эксперимент на XFEL длился на протяжение 10 дней. Ученые поместили нанокристаллы, предварительно выращенные в Университете ИТМО, под воздействие двух лазеров. Один из них возбуждал мощный оптический импульс и вызывал тем самым колебание в кристаллической решетке нанокристаллов. Импульс длился несколько десятков фемтосекунд, но был настолько сильным, что ученые боялись возможного сжигания материала. К счастью, нанокристаллы и их кристаллическая структура не разрушились — это подтвердил анализ с использованием рентгеновского лазера, который записывал информацию о колебаниях внутри кристаллической решетки наноматериала. Данные и снимки после импульса второго лазера — главный итог эксперимента.

«Мы получили гигантский массив информации, который позволит по-новому взглянуть на структуру нанокристаллов. Такой благополучный исход эксперимента вызвал у команды наиболее сильные эмоции. Как современные ученые, мы привыкли сотрудничать с коллегами из других стран и работать на крупных установках, пусть и не настолько огромных, как XFEL. Однако наш эксперимент тот редкий случай, когда работа доведена до ожидаемого финала. Все происходит именно так, как и ожидалось, что нечасто бывает», — делится впечатлениями о проведенном эксперименте профессор факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Павел Брунков.

European XFEL
European XFEL

В дальнейших планах ученых университета ИТМО — проанализировать полученные данные и вернуться на XFEL весной или летом 2019 года. Исследования продолжат носить фундаментальный характер, однако Павел Брунков подчеркивает: чем больше мы узнаем о новых свойствах материала, тем скорее мы приступим к их потенциальному использованию.