Uus attosekundiline röntgenspektroskoopia tehnika "külmutab" aatomituumad paika – füüsikamaailm

Tänu uuele attosekundilise röntgenspektroskoopia tehnikale saavad teadlased nüüd jälgida elektronide liikumist ja molekulide ioniseerumist reaalajas. Sarnaselt stop-motion fotograafiaga "külmutab" tehnika tõhusalt aatomituuma paigale, mis tähendab, et selle liikumine ei moonuta selle ümber vihisevate elektronide mõõtmistulemusi. Tehnika arendajate sõnul saab seda kasutada mitte ainult molekulide struktuuri uurimiseks, vaid ka ioniseeriva kiirguse kaudu tekkivate reaktiivsete liikide sünni ja arengu jälgimiseks.

"Kiirgusest põhjustatud keemilised reaktsioonid, mida tahame uurida, on sihtmärgi elektroonilise reaktsiooni tulemus, mis toimub attosekundi ajaskaalal (10^-18 sekundit),“ selgitab Linda Young, füüsik aadressil Argonne'i riiklik labor ja University of Chicago, USA, kes juhtis uurimistööd koos Robin Santra Euroopa Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ja Hamburgi ülikool Saksamaal ja Saksamaal. \ t Xiaosong Li Euroopa Washingtoni Ülikool, USA. "Siiani suutsid kiirguskeemikud sündmusi lahendada ainult pikosekundilise aja jooksul (10^-12 sekundit), mis on miljon korda aeglasem kui attosekund. See on umbes nagu ütlemine: "Ma sündisin ja siis ma surin." Tahad teada, mis vahepeal juhtub. Seda me nüüd suudamegi.

Pump ja sond

Uus tehnika töötab järgmiselt. Esiteks rakendavad teadlased proovile – antud juhul veele – attosekundilist röntgenimpulssi footonite energiaga 250 elektronvolti (eV), kuigi töörühma sõnul võib see tehnika töötada paljude kondenseerunud ainesüsteemidega. . See esialgne "pumba" impulss ergastab elektrone veemolekuli väliselt (valentsi) orbitaalilt, mis vastutavad molekulaarsete sidemete ja keemiliste reaktsioonide eest. Need orbitaalid asuvad aatomituumast kaugemal ja neil on palju väiksem sidumisenergia kui sisemistel "tuumaorbitaalidel": umbes 10–40 eV võrreldes umbes 500 eV-ga. See võimaldab neid ioniseerida – seda protsessi nimetatakse valentsionisatsiooniks – ilma ülejäänud molekuli mõjutamata.

Umbes 600 attosekundit pärast valentsionisatsiooni tulistavad teadlased proovile teise attosekundilise impulsi – sondiimpulsi – energiaga umbes 500 eV. "Lühike viivitus pumba ja sondi impulsside vahel on üks põhjusi, miks vesinikuaatomitel endil pole aega liikuda ja nad on nagu "külmunud", " selgitab Young. "See tähendab, et nende liikumine ei mõjuta mõõtmistulemusi."

Kui sondiimpulss interakteerub valentsioonisatsiooni järel valentsiorbitaalidesse jäänud aukudega (vabade töökohtadega), muutub impulsi energiajaotus. Peegeldades impulsi võrest, mis hajutab selle energiajaotuse kahemõõtmelisele detektorile, saavad teadlased selle, mida Young nimetab valentsorbitaalidel hõivatud elektronide spektraalseks "hetktõmmiseks" või "sõrmejäljeks".

Varasemate tulemuste puuduste leidmine

Jälgides röntgenkiirgusega elektrienergiaga elektronide liikumist, kui nad liiguvad ergastatud olekutesse, avastasid teadlased varasemate vees tehtud röntgenspektroskoopia mõõtmiste tõlgendamise vigu. Need varasemad katsed andsid röntgensignaale, mis näisid tulenevat vee- või vesinikuaatomite dünaamikas erinevatest struktuurilistest kujunditest või "motiividest", kuid Santra sõnul näitab uus uuring, et see pole nii.

"Põhimõtteliselt oleks võinud arvata, et seda tüüpi katse ajastuse täpsust piirab eluiga (mis on umbes paar femtosekundit ehk 10).^-15 sekundit) tekitatud röntgenkiirgusega ergastavatest elektroonilistest kvantolekutest,” räägib ta Füüsika maailm. "Kvantmehaaniliste arvutuste abil näitasime aga, et vaadeldud signaal piirdub vähem kui femtosekundiga. See on põhjus, miks suutsime näidata, et vedela vee struktuuri röntgenspektroskoopia mõõtmisi oli varem valesti tõlgendatud: erinevalt nendest varasematest mõõtmistest ei mõjutanud liikuvad vesinikuaatomid meie mõõtmisi.

Eksperimentaalsed eesmärgid ja väljakutsed

Teadlaste esialgne eesmärk oli mõista nende reaktiivsete liikide päritolu, mis tekivad, kui röntgenikiirgus ja muud ioniseeriva kiirguse vormid puutuvad kokku ainega. Need reaktiivsed liigid moodustuvad attosekundilise aja skaalal pärast ionisatsiooni ning neil on oluline roll biomeditsiinis ja tuumateaduses ning keemias.

Üks väljakutsetest, millega nad kokku puutusid, oli see, et nende kasutatud röntgenikiirjoon ChemRIXSOsa Linac koherentne valgusallikas kell SLACi riiklik kiirendilabor Californias Menlo Parkis – tuli täielikult ümber konfigureerida, et teostada röntgeni attosekundi mööduvat neeldumisspektroskoopiat. See võimas uus tehnika võimaldab uurida protsesse väga lühikese aja jooksul.

Teadlased kavatsevad nüüd laiendada oma uuringuid puhtalt veelt keerukamatele vedelikele. "Siin võivad erinevad molekulaarsed komponendid toimida vabanenud elektronide lõksudena ja toota uusi reaktiivseid liike, " ütleb Young.

Nad teatavad oma praegusest tööst aastal teadus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/