Для изучения белков - например, при определении механизмов их биологического действия - исследователям необходимо понимать движение отдельных атомов внутри образца. Это сложно не только потому, что атомы такие крошечные, но и потому, что такие перестановки обычно происходят за пикосекунды, то есть за триллионные доли секунды.

Один из методов исследования этих систем заключается в возбуждении их сверхбыстрой вспышкой лазерного излучения, а затем немедленном зондировании их очень коротким электронным импульсом. Основываясь на том, как электроны рассеиваются от образца в зависимости от времени задержки между лазерным и электронным импульсами, исследователи могут получить много информации об атомной динамике. Однако охарактеризовать начальный электронный импульс сложно и требует сложных настроек или мощного ТГц-излучения.

Теперь команда исследователей из Университета Цукубы использовала оптический резонатор для усиления электрического поля терагерцового (ТГц) светового импульса, генерируемого кристаллом, что уменьшает необходимый ТГц-свет для характеристики длительности электронного импульса. ТГц-излучение относится к пучкам света с длинами волн между инфракрасным и микроволновым излучениями. "Точная характеристика импульса зондирующих электронов имеет важное значение, поскольку он длится дольше и, как правило, его труднее контролировать по сравнению с возбуждающим лазерным лучом, который приводит атомы в движение", - объясняет соавтор исследования, профессор Юсуке Арашида.

Подобно тому, как помещение с правильной акустикой может усилить восприятие звука, резонатор может увеличить амплитуду ТГц-излучения с помощью длин волн, соответствующих его размеру и форме. В этом случае команда использовала резонатор в форме бабочки, который ранее был разработан независимой исследовательской группой, для концентрации энергии импульса. С помощью моделирования они обнаружили, что усиление электрического поля было сосредоточено там, где должны были находиться "голова" и "хвост" бабочки. Они обнаружили, что могут измерять длительность электронного импульса с точностью более пикосекунды, используя метод ТГц-полос. Этот подход использует падающий свет для распространения электронного импульса в перпендикулярном направлении. "Полоса" в камере формируется с помощью информации о времени, которая теперь закодирована в пространственном распределении результирующего изображения. "Сверхбыстрые измерения с использованием электронных импульсов могут показать структурную динамику молекул или материалов на атомном уровне, когда они расслабляются после возбуждения лазером", - говорит старший автор, профессор Масаки Хада.

Было показано, что использование этого резонатора со слабым терагерцовым полем и напряженностью в несколько кВ/см является достаточным для характеристики электронных импульсов в пикосекундных временных масштабах. Эта работа может привести к более эффективному исследованию движений на атомном уровне в очень коротких временных масштабах, что потенциально поможет в изучении биомолекул или промышленных материалов.

Это исследование было поддержано грантами Kakenhi в помощь (№ JP18H05208, JP19H00847 и JP20H01832) и Ведущей инициативой для отличных молодых исследователей Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий (MEXT), Япония. Эта работа также была поддержана лесной программой JST, номер гранта JPMJFR211V. Часть этой работы была поддержана "Передовой исследовательской инфраструктурой для материалов и нанотехнологий в Японии (ARIM)" MEXT, номер гранта JPMXP1222BA0009.