Варьируя интенсивность лазера, исследователи обнаружили переход от стабильных молекул к взрывным кулоновским разрушениям. В промежуточном режиме молекулы расширялись до 50% от своего исходного размера всего за 140 фемтосекунд — квадриллионных долей секунды — прежде чем начиналась значительная фрагментация.

Рентгеновские «молекулярные фильмы» показывают, как интенсивные лазеры разрывают молекулы C60 , и приближают нас к управлению химическими реакциями с помощью света. (Идея художника.) Источник: SciTechDaily.com

Учёные впервые непосредственно наблюдали, как интенсивные лазерные импульсы разрывают молекулы углерода в форме футбольного мяча, запечатлев этот бурный процесс с беспрецедентной детализацией с помощью сверхбыстрой рентгеновской визуализации. Это исследование знаменует собой шаг к давно ожидаемой цели использования света для управления химическими реакциями.Международная группа под руководством физиков из германских Институтов Макса Планка использовала линейный когерентный источник света в Национальной ускорительной лаборатории SLAC для создания «молекулярных фильмов» молекул фуллерена C60 — прозванных бакиболами — в процессе их расширения и распада под воздействием интенсивной бомбардировки ближним инфракрасным лазером. Результаты были опубликованы 21 ноября 2025 года в журнале Science Advances.

«Впервые эксперимент, проведённый в линейном когерентном источнике света Национальной ускорительной лаборатории SLAC, смог непосредственно визуализировать молекулярную динамику в C60, управляемую мощным лазером», — сообщает Институт ядерной физики Общества Макса Планка.

От Расширения к Взрыву

Варьируя интенсивность лазера, исследователи обнаружили переход от стабильных молекул к взрывным кулоновским разрушениям. В промежуточном режиме молекулы расширялись до 50% от своего исходного размера всего за 140 фемтосекунд — квадриллионных долей секунды — прежде чем начиналась значительная фрагментация.

Команда, включающая ведущего исследователя Кирстен Шнорр из Института Пауля Шеррера и учёных из Институтов Макса Планка в Гейдельберге и Дрездене, Института Макса Борна в Берлине, а также учреждений в Швейцарии, Соединённых Штатах и Японии, анализировала картины рентгеновской дифракции для отслеживания структурных изменений в реальном времени.

При самых высоких испытанных интенсивностях лазера — 8×10^14 ватт на квадратный сантиметр — почти все молекулы полностью распадались примерно за 100 фемтосекунд. «При самой высокой интенсивности быстрое расширение и одновременно уменьшающаяся амплитуда Гинье уже начинаются на переднем крае мощного лазерного импульса, удаляя почти все внешние валентные (связывающие) электроны», — сообщили исследователи.

Теория встречается с реальностью

Эксперимент выявил загадку: теоретические модели предсказывали, что молекулы будут демонстрировать периодические «дыхательные» колебания во время фрагментации, но это поведение полностью отсутствовало в наблюдаемых данных. Расхождение предполагает, что механизмы сверхбыстрого нагрева или сложная многоэлектронная динамика могут подавлять когерентные молекулярные вибрации.

«Многоэлектронная динамика, управляемая интенсивными лазерными полями, по-прежнему представляет собой вызов для теоретического описания, поскольку полная квантово-механическая обработка в настоящее время недостижима», согласно исследованию. Исследователи предполагают, что электронный нагрев на временных масштабах быстрее, чем вибрации, может подавлять когерентное межъядерное движение.

Путь к лазерно-контролируемой химии

Работа демонстрирует, что дифракционная рентгеновская визуализация может восстанавливать структурную информацию с временным разрешением о крупных молекулах, изменённых интенсивными лазерными полями. «Рентгеновские фильмы структурной динамики, подобные этому в C60, являются идеальным испытательным стендом для понимания фундаментальных квантовых процессов в молекулярных системах возрастающего размера и сложности, освещая наш путь к управлению химическими реакциями с помощью лазерных полей», — заключили исследователи.

Исследование 

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1900