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.
"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.
Attosekundens elektronimpulser hævdes at være de korteste nogensinde
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.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
- PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
- PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
- PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
- Kilde: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/
- :er
- :ikke
- 1
- 250
- 500
- 600
- a
- I stand
- Om
- accelerator
- Ifølge
- Lov
- påvirke
- påvirket
- påvirker
- Efter
- også
- an
- ,
- dukkede
- Indløs
- cirka
- ER
- omkring
- AS
- At
- atomare
- bold
- BE
- Beam
- været
- bag
- mellem
- binding
- biomedicinsk
- fødsel
- født
- men
- by
- beregninger
- california
- Opkald
- CAN
- tilfælde
- udfordringer
- Ændringer
- kemikalie
- kemi
- hævdede
- klik
- SAMMENHÆNGENDE
- sammenlignet
- fuldstændig
- komplekse
- kunne
- Par
- oprettet
- de
- forsinkelse
- udviklere
- døde
- forskellige
- fordeling
- do
- gør
- dynamik
- tidligere
- effektivt
- elektronisk
- elektroner
- energiske
- energi
- EV
- begivenheder
- evolution
- ophidset
- ophidser
- eksperiment
- eksperimenter
- Forklarer
- udvide
- ekstremt
- Faldende
- Brand
- Fornavn
- Blink
- fejl
- følger
- efter
- følger
- Til
- formular
- formularer
- Gratis
- fra
- yderligere
- Tyskland
- mål
- Mål
- Guld
- Grøn
- havde
- sker
- Have
- he
- link.
- Høj
- Huller
- Men
- HTML
- http
- HTTPS
- Hydrogenering
- i
- billede
- vigtigt
- in
- oplysninger
- initial
- indre
- interagerer
- fortolkning
- ind
- spørgsmål
- IT
- ITS
- Johnson
- jpg
- Venlig
- Kend
- kendt
- laboratorium
- laser
- til venstre
- mindre
- levetid
- lys
- ligesom
- Limited
- Flydende
- lavere
- maerker
- Matter
- max-bredde
- betyder
- midler
- måling
- målinger
- million
- molekylær
- molekyle
- mere
- bevægelse
- bevæge sig
- bevægelse
- flytning
- meget
- nathan
- national
- Ny
- nu
- nukleare
- opnå
- of
- on
- ONE
- kun
- på
- åbent
- or
- oprindelse
- Andet
- bære
- Oxygen
- Pacific
- par
- Park
- del
- Udfør
- foto
- fotografering
- fysiker
- Fysik
- Fysik verden
- Place
- fly
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatoData
- Leg
- mulig
- vigtigste
- Precision
- præsentere
- tidligere
- princippet
- sonde
- behandle
- Processer
- producere
- produceret
- puls
- pumpe
- ren
- Quantum
- rækkevidde
- reaktioner
- ægte
- realtid
- grund
- årsager
- optage
- Rød
- afspejler
- indberette
- repræsenteret
- repræsenterer
- forskning
- forskere
- løse
- svar
- ansvarlige
- REST
- resultere
- Resultater
- roller
- prøve
- siger
- siger
- siger
- Scale
- skalaer
- Videnskab
- videnskabelig
- forskere
- Anden
- sekunder
- former
- ark
- Kort
- korteste
- Vis
- viste
- viser
- Shows
- Signal
- signaler
- skævt
- mindre
- Spektral
- Spektroskopi
- Stanford
- Stater
- Stem
- streak
- strøm
- strukturel
- struktur
- undersøgelser
- Studere
- Systemer
- mål
- hold
- teknik
- fortæller
- end
- Tak
- at
- deres
- Them
- selv
- derefter
- Disse
- de
- tynd
- denne
- selvom?
- tænkte
- thumbnail
- tid
- gange
- timing
- til
- sammen
- spor
- fælder
- sand
- typen
- afdækket
- forstå
- I modsætning til
- us
- anvendte
- via
- ønsker
- var
- washington
- Vand
- we
- GODT
- var
- Hvad
- hvornår
- som
- mens
- hvid
- WHO
- hvorfor
- bred
- Bred rækkevidde
- med
- uden
- Arbejde
- virker
- world
- røntgen
- unge
- zephyrnet