Una nuova tecnica di spettroscopia a raggi X ad attosecondi "congela" i nuclei atomici sul posto – Physics World

Gli scienziati possono ora seguire il movimento degli elettroni e la ionizzazione delle molecole in tempo reale grazie a una nuova tecnica di spettroscopia a raggi X ad attosecondi. Come la fotografia stop-motion, la tecnica “congela” effettivamente il nucleo atomico sul posto, il che significa che il suo movimento non distorce i risultati delle misurazioni sugli elettroni che gli sfrecciano attorno. Secondo gli sviluppatori della tecnica, potrebbe essere utilizzata non solo per sondare la struttura delle molecole, ma anche per tracciare la nascita e l'evoluzione delle specie reattive che si formano tramite radiazioni ionizzanti.

“Le reazioni chimiche indotte dalla radiazione che vogliamo studiare sono il risultato della risposta elettronica del bersaglio che avviene su una scala temporale dell’attosecondo (10 ^{all'18 ottobre} secondi)”, spiega linda giovane, un fisico a Argonne National Laboratory e la University of Chicago, Stati Uniti, che ha co-condotto la ricerca insieme a Robin Santra della Deutsches Elektronen-Sincrotrone (DESY) e la Università di Amburgo in Germania e Xiaosong Li della Università di Washington, NOI. “Fino ad ora, i chimici delle radiazioni potevano risolvere solo eventi su scala temporale del picosecondo (10 ^{all'12 ottobre} secondi), che è un milione di volte più lento di un attosecondo. È un po' come dire 'sono nato e poi sono morto'. Ti piacerebbe sapere cosa succede nel mezzo. Questo è ciò che ora siamo in grado di fare”.

Pompa e sonda

La nuova tecnica funziona come segue. Innanzitutto, i ricercatori applicano un impulso di raggi X ad attosecondi con un’energia fotonica di 250 elettronvolt (eV) a un campione, in questo caso di acqua, anche se il team afferma che la tecnica potrebbe funzionare con un’ampia gamma di sistemi di materia condensata. . Questo impulso iniziale di “pompa” eccita gli elettroni dagli orbitali esterni (di valenza) della molecola d'acqua, che sono responsabili dei legami molecolari e delle reazioni chimiche. Questi orbitali sono più lontani dal nucleo atomico e hanno energie di legame molto più basse rispetto agli orbitali “nucleo” interni: circa 10-40 eV rispetto a circa 500 eV. Ciò rende possibile ionizzarli – un processo noto come ionizzazione di valenza – senza influenzare il resto della molecola.

Circa 600 attosecondi dopo la ionizzazione di valenza, i ricercatori lanciano un secondo impulso ad attosecondi – l’impulso della sonda – sul campione, con un’energia di circa 500 eV. "Il breve ritardo tra gli impulsi della pompa e quelli della sonda è uno dei motivi per cui gli atomi di idrogeno stessi non hanno il tempo di muoversi e sono come 'congelati'", spiega Young. “Ciò significa che il loro movimento non influisce sui risultati della misurazione.”

Quando l'impulso della sonda interagisce con i buchi (posti vacanti) lasciati negli orbitali di valenza in seguito alla ionizzazione di valenza, la distribuzione dell'energia dell'impulso cambia. Riflettendo l'impulso da un reticolo che disperde questa distribuzione di energia su un rilevatore bidimensionale, i ricercatori ottengono quella che Young chiama una “istantanea” spettrale o “impronta digitale” di elettroni che occupano gli orbitali di valenza.

Trovare difetti nei risultati precedenti

Osservando il movimento degli elettroni energizzati dai raggi X mentre si spostano verso stati eccitati, i ricercatori hanno scoperto difetti nell'interpretazione delle precedenti misurazioni della spettroscopia a raggi X sull'acqua. Questi precedenti esperimenti producevano segnali di raggi X che sembravano derivare da diverse forme strutturali, o "motivi", nella dinamica degli atomi di acqua o idrogeno, ma Santra afferma che il nuovo studio dimostra che non è così.

“In linea di principio, si sarebbe potuto pensare che la precisione temporale di questo tipo di esperimento sia limitata dalla durata (che è di circa un paio di femtosecondi, o 10 ^{all'15 ottobre} secondi) degli stati quantistici elettronici eccitati dai raggi X prodotti”, racconta Mondo della fisica. “Attraverso calcoli quantomeccanici, tuttavia, abbiamo dimostrato che il segnale osservato è limitato a meno di un femtosecondo. Questo è il motivo per cui siamo stati in grado di dimostrare che le misurazioni della spettroscopia a raggi X sulla struttura dell’acqua liquida erano state precedentemente interpretate erroneamente: a differenza di queste misurazioni precedenti, le nostre non erano influenzate dal movimento degli atomi di idrogeno”.

Obiettivi e sfide sperimentali

L'obiettivo iniziale dei ricercatori era comprendere l'origine delle specie reattive create quando i raggi X e altre forme di radiazioni ionizzanti colpiscono la materia. Queste specie reattive si formano su una scala temporale di attosecondi in seguito alla ionizzazione e svolgono un ruolo importante nella scienza biomedica e nucleare, nonché nella chimica.

Una delle sfide che hanno incontrato è stata che la linea di raggi X che hanno utilizzato – ChemRIXS, Parte del Sorgente luminosa coerente Linac alla SLAC National Accelerator Laboratory a Menlo Park, in California – doveva essere completamente riconfigurato per eseguire la spettroscopia di assorbimento transitorio ad attosecondi di tutti i raggi X. Questa nuova e potente tecnica rende possibile studiare i processi su scale temporali estremamente brevi.

I ricercatori ora intendono estendere i loro studi dall’acqua pura ai liquidi più complessi. "Qui, i diversi costituenti molecolari possono agire come trappole per gli elettroni liberati e produrre nuove specie reattive", dice Young.

Riportano il loro lavoro attuale in Scienze.

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