Синхротрон ESRF для мировой и российской науки

Макет синхротрона ESRF (Гренобль, Франция)

Что такое синхротроны и для чего они нужны?

С тех пор как в 1901 году Рентген открыл свое излучение, а в 1912 Макс фон Лауэ до гадался просвечивать рентгеновским излучением кристаллы, метод рентгенострурнуго анализа постоянно совершенствовался. Сегодня, чтобы заглянуть во внутренний мир кристаллов, мы используем синхротроны.

В современной терминологии синхротронами чаще всего называют ускорители электронов. Двигаясь по кругу в кольце синхротрона, электроны излучают фотоны в рентгеновском диапазоне частот. Мощность такого фотонного пучка в сто миллиардов раз выше мощности рентгеновских аппаратов в поликлиниках. Интенсивным пучком фотонов на рентгеновской частоте можно просвечивать массивные каменные скульптуры и детали самолетов, а можно различать электронные оболочки и магнитные моменты отдельных атомов.

На синхротронах исследуются самые разные и порой неожиданные объекты. Часть этих исследований связана с фундаментальной наукой, часть носит прикладной и коммерческий характер, есть даже исследования культурных и исторических объектов.

Синхротронные исследования необходимы при разработке новых материалов, поэтому многие синхротронные лаборатории работают на благо автомобильной и аэрокосмической отрасли. Нефтегазовые и металлургические компании заказывают синхротронные исследования, чтобы, вооружившись новыми знаниями, увеличить эффективность производства. Фармацевтические компании опираются на синхротронные исследования, создавая новые лекарства.

Синхротрон ESRF для мировой и российской науки

В мире насчитывается с полсотни крупных синхротронов и огромное множество небольших. Разработка и исследование новых материалов, в том числе и для военной отрасли, необходима любому сильному государству, поэтому каждая страна, претендующая на важную роль в мировой политике, старается обеспечить себя независимыми синхротронными исследованиями. У России есть собственный синхротрон в Курчатовском институте в Москве, и плюс к этому наша страна вносит существенный вклад в международный проект — европейский источник синхротронного излучения ESRF, расположенный на юге Франции в Гренобле.

ESRF — самый мощный синхротрон третьего поколения. Здесь постоянно действуют 43 экспериментальные лаборатории, которые в синхротронной терминологии называются «линиями». Электроны круглые сутки двигаются на субсветовой скорости по кольцу длиной 884 метра, и круглые сутки на линиях идут эксперименты. Ежегодно на синхротрон в Гренобль приезжают около 7000 ученых, и выходит по 2000 научных публикаций с результатами их работ. В 2009 и 2012 годах ученые — пользователи ESRF удостаивались Нобелевских премий. Ежегодный бюджет европейского синхротронного источника — порядка 100 миллионов евро. Проект такого масштаба слишком дорог для одного государства, поэтому ESRF финансирует одновременно 21 страна, а часть исследований оплачивается независимыми коммерческими структурами [1].

Выпускники кафедры физики твердого тела физфака МГУ выполняют эксперимент на линии ID20 синхротрона ESRF

Синхротроны и жизнь

Может показаться, что ESRF работает с чем-то далеким и сложным, не касающимся повседневной жизни, но это не так. Все мы пользуемся результатами работы этого синхротрона, даже не подозревая об этом. Например, мы часто слышим в рекламе о новой формуле того или иного косметического средства или стирального порошка. Откуда берется эта информация? Для создания жидкого средства Ariel, которое стирает при температуре воды +15 градусов, компания Procter&Gamble исследовала на ESRF энзимы и полимеры. А компания Unilever уточняет на синхротроне предельные сроки годности и допустимые условия хранения бальзамов-ополаскивателей для волос, которые стоят на полках в миллионах ванных комнат по всему миру [2].

На линии микро-рентгеновской флуоресцентной спектроскопии ID21 группа ученых исследовала гречку. Когда люди отказываются от мяса (по медицинским или этическим соображениям), через несколько лет они почти неизбежно сталкиваются с железодефицитной анемией. И хотя многие растительные продукты имеют в своем составе железо, это еще не значит, что организм сможет его усвоить. Железо в продуктах питания содержится не в чистом виде, а в соединениях с другими элементами. С мясными продуктами мы получаем железо в составе гемоглобина, в такой форме оно легко усваивается нашей пищеварительной системой. С продуктами растительного происхождения к нам в желудок попадают неорганические соли железа, которые усваиваются плохо. На ESRF выясняли, как следуют готовить и обрабатывать гречневую крупу, чтобы максимально адаптировать содержащееся в ней железо и другие микроэлементы для дальнейшего усвоения [3].

Как попасть во Францию на ESRF?

Благодаря участию России в проекте ESRF, наши ученые могут выполнять здесь свои исследования. Для этого нужно прислать проект на конкурс, проходящий дважды в год, и обосновать, почему ваше исследование важно для человечества и почему оно может быть выполнено только на ESRF, а не где-либо еще. Если проект проходит конкурс, то ваш перелет, проживание и питание будут оплачены — только работайте.

Условия подачи проектов подробно описаны на официальном сайте синхротрона:

http://www.esrf.eu/UsersAndScience/UserGuide/Applying

Собираясь на эксперимент, очень важно собрать команду хотя бы из трех человек, чтобы иметь возможность работать круглосуточно, сменяя друг-друга. Ведь синхротрон не останавливается, и перерыв на сон означает бесцельно потраченные тысячи евро.

Профессор Елена Николаевна Овчинникова и научный сотрудник кафедры физики твердого тела Ксения Козловская внутри здания-кольца ESRF

Сотрудники кафедры физики твердого тела на ESRF

Елена Николаевна Овчинникова, Марина Алексеевна Андреева и другие сотрудники кафедры физики твердого тела физического факультета МГУ выполняют исследования на ESRF с 1997 года, и побывали здесь несколько десятков раз. Результаты их экспериментов опубликованы во многих высокорейтинговых журналах, включая Nature Physics. Существенная часть этих исследований посвящена тонкой диагностике магнитных свойств материалов с помощью передовых синхротронных методов резонансной рентгеновской дифракции [4–9]. Доступ к линиям ESRF позволяет нам изучать локальные электронные свойства свойства кристаллов, тепловые колебания атомов в решетке, орбитальное и зарядовое упорядочение. Такие исследования открывают новые возможности для наномагнитных технологий: спинтроники и магнитроники.

Часть экспериментов, выполняемых сотрудниками нашей кафедры на ESRF, связана с изучением хиральных и магнито-хиральных кристаллов. Хиральность — это отсутствие зеркальной симметрии, как следствие, хиральные соединения могут существовать в форме правых или левых изомеров. Неразличимые по большинству физических и химических свойств, правые и левые изомеры поворачивают плоскость поляризации света в противоположных направлениях и по-разному взаимодействуют с живыми организмами. Забавно, что зачастую правые и левые изомеры одной и той же молекулы для нас по-разному пахнут. Важно, что один из изомеров может оказаться лекарством, а другой ядом.

До сих пор рентгеновскими методами можно было определить абсолютную атомную конфигурацию и различать правые и левые изомеры только в случае соединений, содержащих атомы тяжелее хлора. Сейчас мы разрабатываем новый рентгеновский метод, позволяющий определять атомную конфигурацию даже для органических соединений, состоящих из легких атомов. Метод предложен Владимиром Евгеньевичем Дмитриенко из института кристаллографии им. Шубникова, и тестируется с помощью круго-поляризованного рентгеновского излучения, доступного на линии ID12 ESRF [10].

Мало того, что ESRF — это крупнейший научный центр. Это еще и красивое место во Французских Альпах. Синхротрон расположился в конце длинного полуострова у точки слияния двух рек, а вокруг поднимаются величественные горы. Желаю вам, вдохновившись этим красивым видом, поставить и решить собственные задачи с помощью самого мощного в мире источника синхротронного излучения.

[1] http://www.esrf.eu/home/UsersAndScience/Publications/Highlights/highlights-2015/facts-and-figures.html

[2] http://www.esrf.eu/home/Industry/applications-and-case-studies/consumer-products.html

[3] http://www.esrf.eu/home/Industry/applications-and-case-studies/agriculture-and-food.html

[4] Ovchinnikova E.N., Mukhamedzhanov E.Kh, “Resonant Diffraction of Synchrotron Radiation: New Possibilities” Crystallography Reports, том 61, № 5, с. 768–778, (2016).

[5] Ovchinnikova E.N., Rogalev A., Wilhelm F., Kozlovskaya K.A., Oreshko A.P., Dmitrienko V.E. “X-ray natural dichroism in copper metaborate ” Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETP), том 123, № 1, с. 27–32, (2016).

[6] Dmitrienko V.E., Ovchinnikova E.N., Collins S.P., Nisbet G., Beutier G., Kvashnin Y.O., Mazurenko V.V., Lichtenstein A.I., Katsnelson M.I. “Measuring the Dzyaloshinskii–Moriya interaction in a weak ferromagnet” Nature Physics, том 10, № 3, с. 202–206, (2014).

[7] Dmitrienko V.E., Ovchinnikova E.N., Collins S., Nisbet G., Beutier G., Kvashnin Y., Mazurenko V., Lichtenstein A., Katsnelson M., Rogalev A., “Measuring the sense of the Dzyaloshinskii–Moriya interaction ” Acta Crystallographica, том 70, № Supplement, с. 1350–1350, (2014).

[8] Andreeva M.A., Chumakov A.I., Smirnov G.V., Babanov Yu A., Devyaterikov D., Goloborodsky B., Ponomarev D., Romashev L.N., Ustinov V.V., Ruffer R.,”Striking anomalies in shape of the Mossbauer spectra measured near “magnetic” Bragg reflection from [Fe/Cr] multilayer”, Hyperfine Interactions, том 237, № 1, с. 1–9 (2016).

[9] Andreeva M.A., Repchenko Yu L., Smekhova A.G., Dumesnil K., Wilhelm F., Rogalev A., “Extremely Asymmetric Diffraction as a Method of Determining Magneto-Optical Constants for X-rays near Absorption Edges”, Journal of Experimental and Theoretical Physics, том 120, № 6, с. 974–981 (2015).

[10] Kozlovskaya K.A., Dmitrienko V., Ovtchinnikova E., Kokubun J., Rogalev A. “Absolute atomic configuration of chiral crystals: a novel solution”. RACIRI Summer School: Convergent Science and Technology for Society. Repino, Russia, 21–28 August (2016).

Ксения Козловская

Назад