Uusi attosekunnin röntgenspektroskopiatekniikka "jäädyttää" atomiytimet paikoilleen – Physics World

Tiedemiehet voivat nyt seurata elektronien liikkeitä ja molekyylien ionisaatiota reaaliajassa uuden attosekundin röntgenspektroskopiatekniikan ansiosta. Kuten stop-motion -valokuvaus, tekniikka "jäädyttää" tehokkaasti atomiytimen paikoilleen, mikä tarkoittaa, että sen liike ei vääristä mittaustuloksia sen ympärillä sihisevistä elektroneista. Tekniikan kehittäjien mukaan sitä voitaisiin käyttää paitsi molekyylien rakenteen tutkimiseen, myös ionisoivan säteilyn kautta muodostuvien reaktiivisten lajien syntymisen ja kehityksen seuraamiseen.

"Säteilyn aiheuttamat kemialliset reaktiot, joita haluamme tutkia, ovat seurausta kohteen elektronisesta vasteesta, joka tapahtuu attosekunnin aikaskaalalla (10^-18 sekuntia), selittää Linda Young, fyysikko osoitteessa Argonnen kansallinen laboratorio ja University of Chicago, USA, joka johti tutkimusta yhdessä Robin Santra että Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ja Hampurin yliopisto Saksassa ja Saksassa Xiaosong Li että Washingtonin yliopisto, USA. "Tähän asti säteilykemistit pystyivät ratkaisemaan tapahtumia vain pikosekunnin aikaskaalalla (10^-12 sekuntia), mikä on miljoona kertaa hitaampi kuin attosekunti. Se on vähän kuin sanoisi "syntyin ja sitten kuolin". Haluaisit tietää, mitä siinä välissä tapahtuu. Sen me nyt pystymme tekemään."

Pumppu ja anturi

Uusi tekniikka toimii seuraavasti. Ensinnäkin tutkijat soveltavat näytteeseen – tässä tapauksessa vedestä – attosekunnin röntgenpulssia, jonka fotonienergia on 250 elektronivolttia (eV). . Tämä ensimmäinen "pumppu" pulssi herättää elektroneja vesimolekyylin ulkopuolelta (valenssi) kiertoradalta, jotka ovat vastuussa molekyylien sitoutumisesta ja kemiallisista reaktioista. Nämä kiertoradat ovat kauempana atomin ytimestä, ja niiden sitoutumisenergiat ovat paljon pienemmät kuin sisäiset "ytimen" kiertoradat: noin 10-40 eV verrattuna noin 500 eV:iin. Tämä mahdollistaa niiden ionisoinnin – prosessi, joka tunnetaan valenssi-ionisaationa – vaikuttamatta muuhun molekyyliin.

Noin 600 attosekuntia valenssi-ionisaation jälkeen tutkijat laukaisevat näytteeseen toisen attosekunnin pulssin, koetinpulssin, jonka energia on noin 500 eV. "Lyhyt aikaviive pumpun ja anturin pulssien välillä on yksi syy siihen, miksi vetyatomit eivät itse ehdi liikkumaan ja ovat kuin "jäätyneet", Young selittää. "Tämä tarkoittaa, että niiden liike ei vaikuta mittaustuloksiin."

Kun koetinpulssi on vuorovaikutuksessa valenssi-ionisaation jälkeen valenssikiertoradalle jääneiden reikien (vakanssien) kanssa, pulssin energiajakauma muuttuu. Heijastamalla pulssin hilasta, joka hajottaa tämän energian jakautumisen kaksiulotteiseen ilmaisimeen, tutkijat saavat Youngin kutsuman spektrin "snapshot" tai "sormenjälki" valenssikiertoradalla olevista elektroneista.

Vikojen löytäminen aikaisemmista tuloksista

Tarkkailemalla röntgensäteillä saaneiden elektronien liikettä niiden siirtyessä virittyneisiin tiloihin tutkijat paljastivat puutteita aiempien vedessä tehtyjen röntgenspektroskopian mittausten tulkinnassa. Nämä aikaisemmat kokeet tuottivat röntgensignaaleja, jotka näyttivät johtuvan erilaisista rakenteellisista muodoista tai "motiiveista" vesi- tai vetyatomien dynamiikassa, mutta Santran mukaan uusi tutkimus osoittaa, että näin ei ole.

"Periaatteessa olisi voinut ajatella, että tämän tyyppisen kokeen ajoitustarkkuutta rajoittaa elinikä (joka on noin pari femtosekuntia tai 10^-15 sekuntia) syntyneistä röntgensäteillä viritetyistä elektronisista kvanttitiloista", hän kertoo Fysiikan maailma. "Kvanttimekaanisten laskelmien avulla osoitimme kuitenkin, että havaittu signaali rajoittuu alle femtosekuntiin. Tästä syystä pystyimme osoittamaan, että nestemäisen veden rakenteen röntgenspektroskopiamittaukset oli aiemmin tulkittu väärin: toisin kuin nämä aikaisemmat mittaukset, liikkuvat vetyatomit eivät vaikuttaneet meidän mittauksiin."

Kokeelliset tavoitteet ja haasteet

Tutkijoiden alkuperäinen tavoite oli ymmärtää niiden reaktiivisten lajien alkuperä, jotka syntyvät, kun röntgensäteet ja muut ionisoivan säteilyn muodot osuvat aineeseen. Nämä reaktiiviset lajit muodostuvat attosekunnin aika-asteikolla ionisaation jälkeen, ja niillä on tärkeä rooli biolääketieteessä ja ydintieteessä sekä kemiassa.

Yksi heidän kohtaamistaan ​​haasteista oli se, että heidän käyttämänsä röntgensädelinja ChemRIXS, Osa Linac koherentti valonlähde klo SLAC: n kansallinen kiihdytinlaboratorio Menlo Parkissa, Kaliforniassa – se oli konfiguroitava kokonaan uudelleen suorittamaan all-röntgen-attosekunnin transienttiabsorptiospektroskopiaa. Tämä tehokas uusi tekniikka mahdollistaa prosessien tutkimisen erittäin lyhyessä ajassa.

Tutkijat aikovat nyt laajentaa tutkimuksiaan puhtaasta vedestä monimutkaisempiin nesteisiin. "Tässä eri molekyyliset ainesosat voivat toimia ansoina vapautuneille elektroneille ja tuottaa uusia reaktiivisia lajeja", Young sanoo.

He raportoivat nykyisestä työstään tiede.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/