Nowa attosekundowa technika spektroskopii rentgenowskiej „zamraża” jądra atomowe w miejscu – Świat Fizyki

Naukowcy mogą teraz śledzić ruch elektronów i jonizację cząsteczek w czasie rzeczywistym dzięki nowej technice attosekundowej spektroskopii rentgenowskiej. Podobnie jak fotografia poklatkowa, technika ta skutecznie „zamraża” jądro atomowe w miejscu, co oznacza, że ​​jego ruch nie wypacza wyników pomiarów krążących wokół niego elektronów. Według twórców tej techniki można ją wykorzystać nie tylko do badania struktury cząsteczek, ale także do śledzenia narodzin i ewolucji reaktywnych form, które powstają w wyniku promieniowania jonizującego.

„Reakcje chemiczne wywołane promieniowaniem, które chcemy zbadać, są wynikiem reakcji elektronicznej celu, która zachodzi w attosekundowej skali czasu (10^-18 sekund)” – wyjaśnia Linda Młody, fizyk w Argonne National Laboratory oraz University of Chicago, USA, który wspólnie kierował badaniami Robina Santry ukończenia Niemiecki Elektronen-Synchrotron (DESY) oraz Uniwersytet w Hamburgu w Niemczech i Xiaosong Li ukończenia uniwersytet Waszyngtoński, NAS. „Do tej pory chemicy zajmujący się promieniowaniem potrafili rozpoznawać zdarzenia jedynie w pikosekundowej skali czasu (10^-12 sekund), czyli milion razy wolniej niż attosekunda. To trochę tak, jakby powiedzieć: „Urodziłem się, a potem umarłem”. Chciałbyś wiedzieć, co dzieje się pomiędzy. To jest to, co możemy teraz zrobić.”

Pompa i sonda

Nowa technika działa w następujący sposób. Po pierwsze, badacze przykładają attosekundowy impuls promieniowania rentgenowskiego o energii fotonów 250 elektronowoltów (eV) do próbki – w tym przypadku wody, chociaż zespół twierdzi, że technika ta może działać w szerokiej gamie układów materii skondensowanej . Ten początkowy impuls „pompy” wzbudza elektrony z zewnętrznych (walencyjnych) orbitali cząsteczki wody, które są odpowiedzialne za wiązania molekularne i reakcje chemiczne. Orbitale te znajdują się dalej od jądra atomowego i mają znacznie niższą energię wiązania niż wewnętrzne orbitale „jądra”: około 10–40 eV w porównaniu do około 500 eV. Umożliwia to ich jonizację – proces znany jako jonizacja walencyjna – bez wpływu na resztę cząsteczki.

Około 600 attosekund po jonizacji walencyjnej badacze wysyłają do próbki drugi impuls attosekundowy – impuls sondy – o energii około 500 eV. „Krótkie opóźnienie pomiędzy impulsami pompy i sondy jest jednym z powodów, dla których same atomy wodoru nie mają czasu na ruch i są jakby «zamrożone»” – wyjaśnia Young. „Oznacza to, że ich ruch nie wpływa na wyniki pomiarów”.

Kiedy impuls sondy wchodzi w interakcję z dziurami (wolnymi miejscami) pozostawionymi na orbitali walencyjnych po jonizacji walencyjnej, zmienia się rozkład energii impulsu. Odbijając impuls z siatki, która rozprasza tę dystrybucję energii, na dwuwymiarowy detektor, badacze uzyskują coś, co Young nazywa widmową „migawką” lub „odciskiem palca” elektronów zajmujących orbitale walencyjne.

Znajdowanie błędów we wcześniejszych wynikach

Obserwując ruch elektronów zasilanych promieniowaniem rentgenowskim w momencie ich przechodzenia w stan wzbudzony, badacze odkryli błędy w interpretacji wcześniejszych pomiarów spektroskopii rentgenowskiej wody. W ramach tych wcześniejszych eksperymentów wygenerowano sygnały rentgenowskie, które wydawały się wynikać z różnych kształtów strukturalnych, czyli „motywów” w dynamice atomów wody lub wodoru, ale Santra twierdzi, że nowe badanie pokazuje, że tak nie jest.

„Zasadniczo można było pomyśleć, że precyzja synchronizacji tego typu eksperymentów jest ograniczona czasem życia (który wynosi około kilku femtosekund, czyli 10^-15 sekund) wytworzonych elektronowych stanów kwantowych wzbudzonych promieniami rentgenowskimi” – mówi Świat Fizyki. „Jednak dzięki obliczeniom mechaniki kwantowej pokazaliśmy, że obserwowany sygnał ogranicza się do mniej niż femtosekundy. Z tego powodu udało nam się wykazać, że pomiary struktury wody w stanie ciekłym za pomocą spektroskopii rentgenowskiej były wcześniej błędnie interpretowane: w przeciwieństwie do wcześniejszych pomiarów, poruszające się atomy wodoru nie miały na nie wpływu”.

Cele i wyzwania eksperymentalne

Początkowym celem badaczy było zrozumienie pochodzenia reaktywnych form powstających w wyniku oddziaływania promieni rentgenowskich i innych form promieniowania jonizującego na materię. Te reaktywne formy tworzą się w attosekundowej skali czasu po jonizacji i odgrywają ważną rolę w naukach biomedycznych i nuklearnych, a także w chemii.

Jednym z wyzwań, jakie napotkali, było to, że stosowana przez nich linia promieni rentgenowskich – ChemRIXS, Część Koherentne źródło światła liniowego na SLAC National Accelerator Laboratory w Menlo Park w Kalifornii – musiał zostać całkowicie przekonfigurowany, aby móc wykonywać całkowicie rentgenowską spektroskopię absorpcyjną attosekundową. Ta nowa, potężna technika umożliwia badanie procesów w niezwykle krótkich skalach czasowych.

Naukowcy planują teraz rozszerzyć swoje badania z czystej wody na bardziej złożone ciecze. „W tym przypadku różne składniki molekularne mogą działać jak pułapki na uwolnione elektrony i wytwarzać nowe reaktywne formy” – mówi Young.

Opowiadają o swojej obecnej pracy w nauka.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/