Ny attosecond røntgenspektroskopiteknik 'fryser' atomkerner på plads – Physics World

Ny attosecond røntgenspektroskopiteknik 'fryser' atomkerner på plads – Physics World

Tidsstempel: 13. marts 2024 kl. 12


Billede, der viser en lilla stribe og en grøn stribe, der kolliderer med et vandmolekyle, repræsenteret ved en rød kugle for ilt og mindre hvide kugler for brint. Et guldglimt, der repræsenterer en elektron, er også til stede
Forskere brugte et synkroniseret attosekunds røntgenpulspar (afbildet lilla og grønt her) fra en røntgenfri elektronlaser til at studere den energiske reaktion af elektroner (guld) i flydende vand på attosekundens tidsskala, mens brint (hvid) og oxygen (røde) atomer er "frosset" i tid. (Med høflighed: Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory)

Forskere kan nu følge elektronernes bevægelse og ionisering af molekyler i realtid takket være en ny attosecond røntgenspektroskopiteknik. Ligesom stop-motion fotografering "fryser" teknikken effektivt atomkernen på plads, hvilket betyder, at dens bevægelse ikke skævvrider resultaterne af målinger på elektronerne, der suser omkring den. Ifølge teknikkens udviklere kunne den bruges ikke kun til at undersøge strukturen af ​​molekyler, men også til at spore fødslen og udviklingen af ​​reaktive arter, der dannes via ioniserende stråling.

"De kemiske reaktioner induceret af stråling, som vi ønsker at studere, er resultatet af den elektroniske reaktion fra målet, der sker på attosekundets tidsskala (10-18 sekunder), forklarer Linda Young, en fysiker ved Argonne National Laboratory og University of Chicago, USA, som var med til at lede forskningen sammen med Robin Santa af Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) og University of Hamburg i tyskland og Xiaosong Li af University of Washington, USA. "Indtil nu kunne strålingskemikere kun løse begivenheder på picosekunders tidsskala (10-12 sekunder), hvilket er en million gange langsommere end et attoseund. Det er lidt ligesom at sige 'jeg blev født, og så døde jeg'. Du vil gerne vide, hvad der sker ind imellem. Det er det, vi er i stand til nu.”

Pumpe og sonde

Den nye teknik fungerer som følger. For det første anvender forskerne en attosecond røntgenimpuls med en fotonenergi på 250 elektronvolt (eV) til en prøve - af vand, i dette tilfælde, selvom holdet siger, at teknikken kunne fungere med en bred vifte af kondenseret stof systemer . Denne første "pumpe"-impuls exciterer elektroner fra vandmolekylets ydre (valens) orbitaler, som er ansvarlige for molekylær binding og kemiske reaktioner. Disse orbitaler er længere væk fra atomkernen, og de har meget lavere bindingsenergier end de indre "kerne" orbitaler: omkring 10-40 eV sammenlignet med omkring 500 eV. Dette gør det muligt at ionisere dem - en proces kendt som valensionisering - uden at påvirke resten af ​​molekylet.

Omkring 600 attosekunder efter valensioniseringen affyrer forskerne en anden attosekundspuls - probepulsen - mod prøven med en energi på omkring 500 eV. "Den korte tidsforsinkelse mellem pumpe- og sondeimpulser er en af ​​grundene til, at brintatomerne ikke selv når at bevæge sig og er som 'frosne'," forklarer Young. "Dette betyder, at deres bevægelse ikke påvirker måleresultaterne."

Når probepulsen interagerer med hullerne (ledige pladser) efterladt i valensorbitaler efter valensionisering, ændres pulsens energifordeling. Ved at reflektere pulsen fra et gitter, der spreder denne energifordeling på en todimensionel detektor, opnår forskerne, hvad Young kalder et spektralt "snapshot" eller "fingeraftryk" af elektroner, der optager valensorbitalerne.

At finde fejl i tidligere resultater

Ved at observere bevægelsen af ​​de røntgenenergiaktiverede elektroner, når de bevæger sig ind i exciterede tilstande, afslørede forskerne fejl i fortolkningen af ​​tidligere røntgenspektroskopimålinger på vand. Disse tidligere eksperimenter producerede røntgensignaler, der så ud til at stamme fra forskellige strukturelle former eller "motiver" i vand- eller brintatomernes dynamik, men Santra siger, at den nye undersøgelse viser, at dette ikke er tilfældet.

Foto af en tynd strøm af vand, der falder fra en tud
På målet: For at registrere bevægelsen af ​​elektroner exciteret af røntgenstråling skabte det videnskabelige hold et tyndt, cirka 1 centimeter bredt ark flydende vand som mål for røntgenstrålen. (Med høflighed: Emily Nienhuis | Pacific Northwest National Laboratory)

"I princippet kunne man have troet, at timingpræcisionen af ​​denne type eksperimenter er begrænset af levetiden (som er omkring et par femtosekunder eller 10-15 sekunder) af de producerede røntgen-exciterede elektroniske kvantetilstande,” fortæller han Fysik verden. "Gennem kvantemekaniske beregninger viste vi dog, at det observerede signal er begrænset til mindre end et femtosekund. Dette er grunden til, at vi var i stand til at vise, at røntgenspektroskopimålinger af strukturen af ​​flydende vand tidligere var blevet misfortolket: I modsætning til disse tidligere målinger var vores ikke påvirket af bevægelige brintatomer."

Eksperimentelle mål og udfordringer

Forskernes oprindelige mål var at forstå oprindelsen af ​​reaktive arter skabt, når røntgenstråler og andre former for ioniserende stråling rammer stoffet. Disse reaktive arter dannes på en attosecond-tidsskala efter ionisering, og de spiller vigtige roller i biomedicinsk og nuklear videnskab såvel som kemi.

En af de udfordringer, de stødte på, var, at den røntgenstrålelinje, de brugte – ChemRIXS, En del af Linac kohærent lyskilde ved SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Californien – skulle omkonfigureres fuldstændigt til at udføre all-X-ray attosecond transient absorption spektroskopi. Denne kraftfulde nye teknik gør det muligt at studere processer på ekstremt korte tidsskalaer.

Forskerne planlægger nu at udvide deres studier fra rent vand til mere komplekse væsker. "Her kan de forskellige molekylære bestanddele fungere som fælder for de frigjorte elektroner og producere nye reaktive arter," siger Young.

De rapporterer deres nuværende arbejde i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden