Trojrozměrné zobrazení atomů rentgenovou holografií

Známý fyzik maďarského původu Denis Gábor, který r. 1948 vynalezl holografii (Nobelova cena za fyziku 1971), věřil, že díky jeho vynálezu bude možné získat i trojrozměrné obrazy atomární struktury látek. Uskutečnění této myšlenky se však nedočkal. První hologramy atomárních struktur byly pořízeny až r. 1995 a publikovány letos zjara.

Holografické obrázky různých objektů jsou dnes běžnou záležitostí. Získávají se tak, že paprsek světla ze zdroje koherentního záření (laser) rozštěpíme na dva. Jeden jde k detektoru přímo, druhý se odráží od zobrazovaného objektu a po jejich opětném smísení dochází k interferenci. Interferenční obrazec nese informace nejen o odrazivosti různých bodů objektu (jako klasická fotografie), ale také o fázi odraženého světla a tím i o vzdálenosti jednotlivých částí objektu. Zobrazit takto atomy ovšem nejde, neboť vlnová délka viditelného i ultrafialového světla je příliš velká – zhruba tisíckrát větší než vzdálenost atomů v pevné látce. Nezbývá než použít velmi krátkovlnné záření – tedy rentgenové paprsky. Pro holografii – na rozdíl od běžné rentgenovské strukturní analýzy – však musíme mít zdroj koherentního rentgenovského záření – rentgenovský laser, na jehož dostupnou podobu stále ještě čekáme.

Obtíže s realizací rentgenovské holografie vyřešily nedávno téměř současně dvě skupiny vědců; přitom každá použila trochu jiný trik (Science 272, 3 May 1996, str. 650).

Gáborovi krajané Miklós Tegze a Gyula Faigel z Budapešti vymysleli metodu nazvanou rentgenovská fluorescenční holografie (Nature 380, 7 March 1996, str. s. 51). Základní myšlenkou bylo využít samotné atomy vzorku jako zdroje rentgenových paprsků. Za vzorek zvolili krystal perovskitu SrTiO₃ a laboratorním zdrojem rentgenového záření vybudili atomy stroncia k druhotné emisi (fluorescenci). Toto druhotné záření se pak rozptylovalo na okolních atomech a jeho interferenční obraz byl prvním hologramem atomární struktury.

Podobně postupovala skupina německých a amerických vědců. Jejich metoda – rentgenovská holografie s více energiemi (Physical Review Letters 76, str. 3132, 1996) je založena na použití moderního synchrotronového zdroje rentgenových paprsků. Dalo by se říci, že v tomto případě je trikem použítí atomů vzorku k detekci holografického obrazu. Záření přicházející k jistému atomu přímo od zdroje a záření rozptýlené od okolních atomů se kombinují a budí fluorescenci atomu. Fluorescence se deteguje na různých vlnových délkách a při různém natočení krystalu. Počítačovým zpracováním dat je pak možné určit polohu rozptylujících atomů.

Tyto holografické metody studia struktury látek rozhodně nevytlačí klasickou rentgenovskou strukturní analýzu, spíše ji budou doplňovat v některých oborech materiálového výzkumu. Předpokládá se, že umožní odhalit strukturu řídce se vyskytujících útvarů v látce, jako jsou nečistoty či poruchy v polovodičích a rozhraní krystalických domén. V složitějších materiálech bude možné studovat výběrově strukturu nejbližšího okolí určitých atomů, možná i okolí kovových atomů v biologicky významných molekulách.