Une nouvelle technique de spectroscopie attoseconde à rayons X « gèle » les noyaux atomiques en place – Physics World

Les scientifiques peuvent désormais suivre le mouvement des électrons et l’ionisation des molécules en temps réel grâce à une nouvelle technique de spectroscopie attoseconde des rayons X. Comme la photographie en stop-motion, la technique « gèle » efficacement le noyau atomique sur place, ce qui signifie que son mouvement ne fausse pas les résultats des mesures sur les électrons qui tourbillonnent autour de lui. Selon les développeurs de la technique, elle pourrait être utilisée non seulement pour sonder la structure des molécules, mais également pour suivre la naissance et l'évolution d'espèces réactives qui se forment via les rayonnements ionisants.

« Les réactions chimiques induites par les rayonnements que nous souhaitons étudier sont le résultat de la réponse électronique de la cible qui se produit à l'échelle de l'attoseconde (10^{- 18} secondes) », explique Linda Jeune, physicien à Argonne National Laboratory et par Université de Chicago, États-Unis, qui a codirigé la recherche avec Robin Santra des Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) et par Université de Hambourg en Allemagne et Xiaosong Li des Université de Washington, NOUS. "Jusqu'à présent, les radiochimistes ne pouvaient résoudre des événements qu'à l'échelle de la picoseconde (10^{- 12} secondes), ce qui est un million de fois plus lent qu'une attoseconde. C'est un peu comme dire "Je suis né puis je suis mort". Vous aimeriez savoir ce qui se passe entre les deux. C'est ce que nous sommes désormais capables de faire.

Pompe et sonde

La nouvelle technique fonctionne comme suit. Premièrement, les chercheurs appliquent une impulsion de rayons X attoseconde avec une énergie photonique de 250 électrons volts (eV) à un échantillon – d'eau, dans ce cas, bien que l'équipe affirme que la technique pourrait fonctionner avec un large éventail de systèmes de matière condensée. . Cette impulsion initiale de « pompe » excite les électrons des orbitales externes (de valence) de la molécule d'eau, qui sont responsables des liaisons moléculaires et des réactions chimiques. Ces orbitales sont plus éloignées du noyau atomique et ont des énergies de liaison beaucoup plus faibles que les orbitales internes du « noyau » : environ 10 à 40 eV contre environ 500 eV. Cela permet de les ioniser – un processus appelé ionisation de valence – sans affecter le reste de la molécule.

Environ 600 attosecondes après l'ionisation de valence, les chercheurs déclenchent une deuxième impulsion attoseconde – l'impulsion de la sonde – sur l'échantillon, avec une énergie d'environ 500 eV. "Le court délai entre les impulsions de la pompe et de la sonde est l'une des raisons pour lesquelles les atomes d'hydrogène eux-mêmes n'ont pas le temps de bouger et sont comme "gelés"", explique Young. "Cela signifie que leur mouvement n'affecte pas les résultats de mesure."

Lorsque l'impulsion de la sonde interagit avec les trous (lacunes) laissés dans les orbitales de valence après l'ionisation de valence, la distribution d'énergie de l'impulsion change. En réfléchissant l'impulsion d'un réseau qui disperse cette distribution d'énergie sur un détecteur bidimensionnel, les chercheurs obtiennent ce que Young appelle un « instantané » spectral ou une « empreinte digitale » des électrons occupant les orbitales de valence.

Trouver des défauts dans les résultats antérieurs

En observant le mouvement des électrons excités par les rayons X lorsqu'ils se déplacent vers des états excités, les chercheurs ont découvert des failles dans l'interprétation de mesures antérieures de spectroscopie à rayons X sur l'eau. Ces expériences antérieures ont produit des signaux de rayons X qui semblaient provenir de différentes formes structurelles, ou "motifs", dans la dynamique des atomes d'eau ou d'hydrogène, mais Santra affirme que la nouvelle étude montre que ce n'est pas le cas.

« En principe, on aurait pu penser que la précision temporelle de ce type d'expérience est limitée par la durée de vie (qui est de l'ordre de quelques femtosecondes, soit 10 secondes).^{- 15} secondes) des états quantiques électroniques excités par les rayons X produits », dit-il Monde de la physique. « Grâce à des calculs de mécanique quantique, nous avons cependant montré que le signal observé est limité à moins d'une femtoseconde. C’est la raison pour laquelle nous avons pu montrer que les mesures de spectroscopie à rayons X sur la structure de l’eau liquide avaient été mal interprétées : contrairement à ces mesures antérieures, les nôtres n’étaient pas affectées par le mouvement des atomes d’hydrogène.

Objectifs et défis expérimentaux

L’objectif initial des chercheurs était de comprendre l’origine des espèces réactives créées lorsque les rayons X et d’autres formes de rayonnements ionisants frappent la matière. Ces espèces réactives se forment à une échelle de temps attoseconde après l'ionisation et jouent un rôle important dans les sciences biomédicales et nucléaires ainsi qu'en chimie.

L’un des défis qu’ils ont rencontrés était que la ligne de lumière à rayons X qu’ils utilisaient – ChemRIXS, Une partie de l' Source de lumière cohérente Linac au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC à Menlo Park, en Californie – a dû être complètement reconfiguré pour effectuer une spectroscopie d'absorption transitoire attoseconde de tous les rayons X. Cette nouvelle technique puissante permet d’étudier des processus sur des échelles de temps extrêmement courtes.

Les chercheurs envisagent désormais d’étendre leurs études de l’eau pure à des liquides plus complexes. "Ici, les différents constituants moléculaires peuvent agir comme des pièges pour les électrons libérés et produire de nouvelles espèces réactives", explique Young.

Ils rapportent leur travail actuel dans Sciences.

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• La source: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/