Teknik spektroskopi sinar-X attodetik baru 'membekukan' inti atom di tempatnya – Dunia Fisika

Para ilmuwan kini dapat mengikuti pergerakan elektron dan ionisasi molekul secara real time berkat teknik spektroskopi sinar-X attosecond yang baru. Seperti fotografi stop-motion, teknik ini secara efektif “membekukan” inti atom di tempatnya, yang berarti bahwa gerakannya tidak mengganggu hasil pengukuran elektron yang bergerak di sekitarnya. Menurut pengembang teknik ini, teknik ini dapat digunakan tidak hanya untuk menyelidiki struktur molekul, tetapi juga untuk melacak kelahiran dan evolusi spesies reaktif yang terbentuk melalui radiasi pengion.

“Reaksi kimia akibat radiasi yang ingin kami pelajari adalah hasil respon elektronik target yang terjadi pada skala waktu attodetik (10^-18 detik),” jelasnya Linda Muda, seorang fisikawan di Argonne National Laboratory dan University of Chicago, AS, yang ikut memimpin penelitian bersama Robin Santra dari Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) dan University of Hamburg di Jerman dan Xiaosong Li dari Universitas Washington, KITA. “Sampai saat ini, ahli kimia radiasi hanya dapat menyelesaikan peristiwa dalam skala waktu pikodetik (10^-12 detik), yang satu juta kali lebih lambat dari satu attodetik. Ini seperti mengatakan 'Saya lahir dan kemudian saya mati.' Anda ingin tahu apa yang terjadi di antara keduanya. Itulah yang kini dapat kami lakukan.”

Pompa dan periksa

Teknik baru ini bekerja sebagai berikut. Pertama, para peneliti menerapkan pulsa sinar-X attodetik dengan energi foton 250 elektron volt (eV) ke sampel – air, dalam hal ini, meskipun tim mengatakan teknik ini dapat bekerja dengan berbagai sistem materi terkondensasi. . Pulsa “pompa” awal ini mengeksitasi elektron dari orbital terluar (valensi) molekul air, yang bertanggung jawab atas ikatan molekul dan reaksi kimia. Orbital-orbital ini terletak lebih jauh dari inti atom, dan mempunyai energi pengikatan yang jauh lebih rendah dibandingkan orbital “inti” bagian dalam: sekitar 10-40 eV dibandingkan dengan sekitar 500 eV. Hal ini memungkinkan untuk mengionisasinya – suatu proses yang dikenal sebagai ionisasi valensi – tanpa mempengaruhi sisa molekul.

Sekitar 600 attodetik setelah ionisasi valensi, para peneliti menembakkan pulsa attodetik kedua – pulsa probe – ke sampel, dengan energi sekitar 500 eV. “Penundaan waktu yang singkat antara pulsa pompa dan probe adalah salah satu alasan mengapa atom hidrogen sendiri tidak punya waktu untuk bergerak dan seperti 'membeku',” jelas Young. Artinya pergerakannya tidak mempengaruhi hasil pengukuran.

Ketika pulsa probe berinteraksi dengan lubang (kekosongan) yang tertinggal di orbital valensi setelah ionisasi valensi, distribusi energi pulsa berubah. Dengan memantulkan pulsa dari kisi yang menyebarkan distribusi energi ini ke detektor dua dimensi, para peneliti memperoleh apa yang disebut Young sebagai “jepretan” atau “sidik jari” spektral elektron yang menempati orbital valensi.

Menemukan kekurangan pada hasil sebelumnya

Dengan mengamati pergerakan elektron berenergi sinar-X saat mereka berpindah ke keadaan tereksitasi, para peneliti menemukan kelemahan dalam interpretasi pengukuran spektroskopi sinar-X sebelumnya pada air. Eksperimen sebelumnya ini menghasilkan sinyal sinar-X yang tampaknya berasal dari bentuk struktural, atau “motif” yang berbeda dalam dinamika atom air atau hidrogen, namun Santra mengatakan studi baru menunjukkan bahwa hal tersebut tidak terjadi.

“Pada prinsipnya, orang mungkin berpikir bahwa ketepatan waktu dari eksperimen jenis ini dibatasi oleh masa pakai (yaitu sekitar beberapa femtodetik, atau 10 detik).^-15 detik) dari keadaan kuantum elektronik tereksitasi sinar-X yang dihasilkan,” katanya Dunia Fisika. “Melalui perhitungan mekanika kuantum, kami menunjukkan bahwa sinyal yang diamati dibatasi kurang dari satu femtodetik. Inilah alasan mengapa kami dapat menunjukkan bahwa pengukuran spektroskopi sinar-X pada struktur air cair sebelumnya telah disalahartikan: tidak seperti pengukuran sebelumnya, pengukuran kami tidak terpengaruh oleh pergerakan atom hidrogen.”

Tujuan dan tantangan eksperimental

Tujuan awal para peneliti adalah untuk memahami asal usul spesies reaktif yang tercipta ketika sinar-X dan bentuk radiasi pengion lainnya mengenai materi. Spesies reaktif ini terbentuk dalam skala waktu attodetik setelah ionisasi, dan mereka memainkan peran penting dalam ilmu biomedis dan nuklir serta kimia.

Salah satu tantangan yang mereka hadapi adalah garis pancaran sinar-X yang mereka gunakan – kimiaRIXS, Bagian dari Sumber Cahaya Koheren Linac di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC di Menlo Park, California – harus dikonfigurasi ulang sepenuhnya untuk melakukan spektroskopi serapan transien attodetik semua sinar-X. Teknik baru yang kuat ini memungkinkan untuk mempelajari proses dalam skala waktu yang sangat singkat.

Para peneliti sekarang berencana untuk memperluas studi mereka dari air murni ke cairan yang lebih kompleks. “Di sini, konstituen molekul yang berbeda dapat bertindak sebagai perangkap bagi elektron yang dibebaskan dan menghasilkan spesies reaktif baru,” kata Young.

Mereka melaporkan pekerjaan mereka saat ini Ilmu.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/