Az új attoszekundumos röntgenspektroszkópiai technika „lefagyasztja” az atommagokat a helyükön – Fizika világa

A tudósok most már valós időben követhetik az elektronok mozgását és a molekulák ionizációját az új attoszekundumos röntgenspektroszkópiai technikának köszönhetően. A stop-motion fotózáshoz hasonlóan a technika is hatékonyan „lefagyasztja” az atommagot, vagyis mozgása nem torzítja el a körülötte zizegő elektronokon végzett mérési eredményeket. A technika kidolgozói szerint nem csak a molekulák szerkezetének vizsgálatára használható, hanem az ionizáló sugárzással létrejövő reaktív fajok születésének és fejlődésének nyomon követésére is.

„A sugárzás által kiváltott kémiai reakciók, amelyeket tanulmányozni akarunk, a célpont attoszekundumos időskálán bekövetkező elektronikus válaszának az eredménye (10^-18 másodperc)” – magyarázza Linda Young, a fizikus at Diffraktáltuk és a University of Chicago, USA, aki a kutatást együtt vezette Robin Santra az Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) és a Hamburgi Egyetem Németországban és Xiaosong Li az Washington Egyetem, USA. „Eddig a sugárvegyészek csak pikoszekundumos időskálán tudták megoldani az eseményeket (10^-12 másodperc), ami milliószor lassabb, mint egy attoszekundum. Ez olyan, mintha azt mondaná: "Megszülettem, aztán meghaltam." Szeretné tudni, mi történik közben. Ez az, amire most képesek vagyunk.”

Szivattyú és szonda

Az új technika a következőképpen működik. Először is, a kutatók 250 elektronvolt (eV) fotonenergiájú attoszekundumos röntgenimpulzust alkalmaznak egy mintára – ebben az esetben a vízre, bár a csapat szerint a technika a kondenzált anyagú rendszerek széles skálájával működhet. . Ez a kezdeti „pumpa” impulzus a vízmolekula külső (valencia) pályájáról elektronokat gerjeszt, amelyek a molekuláris kötésekért és a kémiai reakciókért felelősek. Ezek a pályák távolabb vannak az atommagtól, és sokkal kisebb kötési energiájuk van, mint a belső „mag” pályáknak: 10-40 eV, szemben a körülbelül 500 eV-tal. Ez lehetővé teszi azok ionizálását – ezt a folyamatot vegyértékionizációnak nevezik – anélkül, hogy a molekula többi részét érintené.

Körülbelül 600 attomásodperccel a vegyértékionizáció után a kutatók egy második attoszekundumos impulzust – a szonda impulzust – bocsátanak ki a mintára, körülbelül 500 eV energiával. „A szivattyú és a szonda impulzusai közötti rövid késleltetés az egyik oka annak, hogy maguknak a hidrogénatomoknak nincs idejük mozogni, és mintha „fagytak volna”” – magyarázza Young. "Ez azt jelenti, hogy mozgásuk nem befolyásolja a mérési eredményeket."

Amikor a szondaimpulzus kölcsönhatásba lép a vegyérték-ionizációt követően a vegyértékpályákon hátrahagyott lyukakkal (üres helyekkel), az impulzus energiaeloszlása ​​megváltozik. Az energiaeloszlást kétdimenziós detektorra oszlató rács impulzusának visszaverésével a kutatók azt a képet kapják, amit Young spektrális „pillanatfelvételnek” vagy „ujjlenyomatnak” nevez a vegyértékpályákat elfoglaló elektronokról.

Hibák keresése a korábbi eredményekben

A röntgenenergiával rendelkező elektronok gerjesztett állapotba kerülő mozgásának megfigyelésével a kutatók feltárták a vízen végzett korábbi röntgenspektroszkópiai mérések értelmezésének hibáit. Ezek a korábbi kísérletek olyan röntgenjeleket hoztak létre, amelyek a víz- vagy hidrogénatomok dinamikájának különböző szerkezeti formáiból vagy „motívumaiból” származnak, de Santra szerint az új tanulmány szerint ez nem így van.

„Elvileg azt gondolhattuk volna, hogy az ilyen típusú kísérletek időzítési pontosságát az élettartam korlátozza (ami körülbelül néhány femtoszekundum vagy 10^-15 másodperc) a keletkezett röntgensugár által gerjesztett elektronikus kvantumállapotokból” – mondja Fizika Világa. „Kvantummechanikai számításokkal azonban kimutattuk, hogy a megfigyelt jel egy femtoszekundumnál rövidebb. Ez az oka annak, hogy be tudtuk mutatni, hogy a folyékony víz szerkezetére vonatkozó röntgenspektroszkópiai méréseket korábban félreértelmezték: ezekkel a korábbi mérésekkel ellentétben a miénket nem befolyásolták a mozgó hidrogénatomok.

Kísérleti célok és kihívások

A kutatók kezdeti célja az volt, hogy megértsék a röntgensugárzás és az ionizáló sugárzás egyéb formáinak anyagba ütközésekor keletkező reaktív fajok eredetét. Ezek a reaktív fajok attoszekundumos időskálán képződnek az ionizációt követően, és fontos szerepet töltenek be az orvosbiológiai és nukleáris tudományban, valamint a kémiában.

Az egyik kihívás, amellyel szembesültek, az volt, hogy az általuk használt röntgensugár - ChemRIXS, része a Linac koherens fényforrás a SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratórium a kaliforniai Menlo Parkban – teljesen át kellett konfigurálni, hogy teljes röntgen-attoszekundumos tranziens abszorpciós spektroszkópiát végezzenek. Ez a hatékony új technika lehetővé teszi a folyamatok rendkívül rövid időskálán történő tanulmányozását.

A kutatók most azt tervezik, hogy tanulmányaikat a tiszta vízről a bonyolultabb folyadékokra is kiterjesztik. "Itt a különböző molekuláris összetevők csapdákként működhetnek a felszabaduló elektronok számára, és új reaktív fajokat termelhetnek" - mondja Young.

Jelen munkájukról ben számolnak be Tudomány.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/