Ny attosecond røntgenspektroskopiteknikk 'fryser' atomkjerner på plass – Physics World

Ny attosecond røntgenspektroskopiteknikk 'fryser' atomkjerner på plass – Physics World

Tidsstempel: 13. mars 2024 12:00


Bilde som viser en lilla strek og en grønn strek som kolliderer med et vannmolekyl, representert ved en rød kule for oksygen og mindre hvite kuler for hydrogen. En gullblits som representerer et elektron er også til stede
Forskere brukte et synkronisert attosecond røntgenpulspar (bildet lilla og grønt her) fra en røntgenfri elektronlaser for å studere den energiske responsen til elektroner (gull) i flytende vann på attosekundets tidsskala, mens hydrogenet (hvitt) og oksygen (røde) atomer "fryses" i tid. (Med tillatelse: Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory)

Forskere kan nå følge bevegelsen av elektroner og ioniseringen av molekyler i sanntid takket være en ny attosecond røntgenspektroskopi. I likhet med stop-motion-fotografering, "fryser" teknikken effektivt atomkjernen på plass, noe som betyr at bevegelsen ikke forvrider resultatene av målinger på elektronene som suser rundt den. Ifølge teknikkens utviklere kan den brukes ikke bare til å undersøke strukturen til molekyler, men også til å spore fødselen og utviklingen av reaktive arter som dannes via ioniserende stråling.

"De kjemiske reaksjonene indusert av stråling som vi ønsker å studere er resultatet av den elektroniske responsen til målet som skjer på attosekundets tidsskala (10-18 sekunder)» forklarer Linda Young, en fysiker ved Argonne National Laboratory og University of Chicago, USA, som ledet forskningen sammen med Robin Santa av Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) og Universitetet i Hamburg i Tyskland og Xiaosong Li av University of Washington, USA. "Inntil nå kunne strålekjemikere bare løse hendelser på picosekunders tidsskala (10-12 sekunder), som er en million ganger langsommere enn et attoseund. Det er litt som å si "Jeg ble født og så døde jeg." Du vil gjerne vite hva som skjer i mellom. Det er det vi nå er i stand til."

Pumpe og sonde

Den nye teknikken fungerer som følger. Først bruker forskerne en attosekund røntgenpuls med en fotonenergi på 250 elektronvolt (eV) til en prøve - av vann, i dette tilfellet, selv om teamet sier at teknikken kan fungere med et bredt spekter av kondensert materiesystemer . Denne første "pumpe"-pulsen eksiterer elektroner fra vannmolekylets ytre (valens) orbitaler, som er ansvarlige for molekylær binding og kjemiske reaksjoner. Disse orbitalene er lenger unna atomkjernen, og de har mye lavere bindingsenergier enn de indre "kjerne"-orbitalene: rundt 10-40 eV sammenlignet med rundt 500 eV. Dette gjør det mulig å ionisere dem – en prosess kjent som valensionisering – uten å påvirke resten av molekylet.

Rundt 600 attosekunder etter valensioniseringen avfyrer forskerne en andre attosekundspuls – sondepulsen – mot prøven, med en energi på rundt 500 eV. "Den korte tidsforsinkelsen mellom pumpe- og sondepulsene er en av grunnene til at hydrogenatomene i seg selv ikke har tid til å bevege seg og er som 'frosne'," forklarer Young. "Dette betyr at bevegelsen deres ikke påvirker måleresultatene."

Når sondepulsen samhandler med hullene (ledige plasser) som er igjen i valensorbitalene etter valensionisering, endres pulsens energifordeling. Ved å reflektere pulsen fra et gitter som sprer denne energifordelingen på en todimensjonal detektor, får forskerne det Young kaller et spektralt "øyeblikksbilde" eller "fingeravtrykk" av elektroner som okkuperer valensorbitalene.

Finne feil i tidligere resultater

Ved å observere bevegelsen til de røntgenenergidrevne elektronene når de beveger seg inn i eksiterte tilstander, avdekket forskerne feil i tolkningen av tidligere røntgenspektroskopimålinger på vann. Disse tidligere eksperimentene produserte røntgensignaler som så ut til å stamme fra forskjellige strukturelle former, eller "motiver", i dynamikken til vann eller hydrogenatomer, men Santra sier at den nye studien viser at dette ikke er tilfelle.

Foto av en tynn vannstråle som faller fra en tut
På målet: For å registrere bevegelsen til elektroner eksitert av røntgenstråling, laget det vitenskapelige teamet et tynt, omtrent 1 centimeter bredt ark med flytende vann som et mål for røntgenstrålen. (Med tillatelse: Emily Nienhuis | Pacific Northwest National Laboratory)

"I prinsippet kunne man ha trodd at tidspresisjonen for denne typen eksperimenter er begrenset av levetiden (som er rundt et par femtosekunder, eller 10-15 sekunder) av de røntgeneksiterte elektroniske kvantetilstandene som produseres," forteller han Fysikkens verden. "Gjennom kvantemekaniske beregninger viste vi imidlertid at det observerte signalet er begrenset til mindre enn et femtosekund. Dette er grunnen til at vi var i stand til å vise at røntgenspektroskopimålinger på strukturen til flytende vann tidligere hadde blitt feiltolket: i motsetning til disse tidligere målingene, ble våre ikke påvirket av bevegelige hydrogenatomer.»

Eksperimentelle mål og utfordringer

Forskernes første mål var å forstå opprinnelsen til reaktive arter som skapes når røntgenstråler og andre former for ioniserende stråling treffer materie. Disse reaktive artene dannes på en attosecond-tidsskala etter ionisering, og de spiller viktige roller i biomedisinsk og kjernefysisk vitenskap så vel som kjemi.

En av utfordringene de møtte var at røntgenstrålelinjen de brukte – ChemRIXS, En del av Linac Koherent lyskilde på SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, California – måtte omkonfigureres fullstendig for å utføre all-røntgen attosekunder transient absorpsjonsspektroskopi. Denne kraftige nye teknikken gjør det mulig å studere prosesser på ekstremt korte tidsskalaer.

Forskerne planlegger nå å utvide studiene fra rent vann til mer komplekse væsker. "Her kan de forskjellige molekylære komponentene fungere som feller for de frigjorte elektronene og produsere nye reaktive arter," sier Young.

De rapporterer sitt nåværende arbeid i Vitenskap.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden