Синхротронный луч — как струя воды из шланга: широкий и неудобный для тонкой работы. Чтобы рассмотреть крошечный образец, нужна тонкая игла, а не шланг. В новой установке роль иглы играет стеклянный капилляр — трубочка, по которой свет скользит, отражаясь от стенок, как голос в длинном коридоре. Такой капилляр собирает расходящийся свет и сжимает его в пятно размером меньше микрометра.
Учёные из Орхусского университета установили такой капилляр на синхротроне ASTRID2 в Дании. Они измеряли, как меняется ширина луча, его положение и сколько света проходит через трубочку, когда меняется размер источника. Оказалось, что даже если поверхность капилляра не идеально гладкая, можно поставить диафрагму и отсечь лишние лучи. В результате луч сфокусировался в пятно шириной 900 нанометров — это в сто раз тоньше человеческого волоса.
Многие современные материалы — графен, тонкие плёнки, квантовые точки — настолько малы, что обычный луч просто «заливает» их светом, и сигнал от соседних областей смешивается. Узкий луч позволяет смотреть точно в нужную точку и видеть, как электроны ведут себя именно там. Это как перейти от полива газона из шланга к точечному капельному орошению каждого цветка.
Новый фокусирующий капилляр работает в широком диапазоне энергий фотонов — от крайнего ультрафиолета до мягкого рентгена. Это важно, потому что разные материалы откликаются на разные энергии. Теперь на одной установке можно изучать и химические связи, и электронную структуру, не меняя оптику. А высокая прозрачность капилляра означает, что драгоценный синхротронный свет не тратится впустую.
Капиллярная оптика работает за счёт полного внешнего отражения: рентгеновские лучи скользят вдоль стенки под очень малым углом, как плоский камень, пущенный по воде, и почти не поглощаются.
В фантастике узкие лучи часто используют для сверхточного сканирования или передачи энергии — например, в «Звёздных войнах» луч Звезды Смерти собирается из множества лучей, хотя там масштабы совсем иные.