Noua tehnică de spectroscopie cu raze X attosecunde „îngheață” nucleele atomice în loc – Physics World

Oamenii de știință pot urmări acum mișcarea electronilor și ionizarea moleculelor în timp real datorită unei noi tehnici de spectroscopie cu raze X attosecunde. La fel ca fotografia cu stop-motion, tehnica „îngheață” efectiv nucleul atomic în loc, ceea ce înseamnă că mișcarea sa nu deformează rezultatele măsurătorilor electronilor care zboară în jurul lui. Potrivit dezvoltatorilor tehnicii, aceasta ar putea fi folosită nu numai pentru a sonda structura moleculelor, ci și pentru a urmări nașterea și evoluția speciilor reactive care se formează prin radiații ionizante.

„Reacțiile chimice induse de radiații pe care dorim să le studiem sunt rezultatul răspunsului electronic al țintei care are loc pe scara de timp attosecundă (10^-18 secunde),” explică Linda Young, fizician la Argonne National Laboratory si Universitatea din Chicago, SUA, care a condus cercetarea împreună cu Robin Santra a Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) si Universitatea din Hamburg în Germania și Xiaosong Li a Universitatea din Washington, SUA. „Până acum, chimiștii din radiații puteau rezolva evenimente doar la scara de timp picosecunde (10^-12 secunde), care este de un milion de ori mai lent decât o attosecundă. Este ca și cum ai spune „M-am născut și apoi am murit”. Ai vrea să știi ce se întâmplă între ele. Asta suntem acum capabili să facem.”

Pompă și sondă

Noua tehnică funcționează după cum urmează. În primul rând, cercetătorii aplică un impuls de raze X de attosecundă cu o energie fotonică de 250 de electroni volți (eV) pe o probă - de apă, în acest caz, deși echipa susține că tehnica ar putea funcționa cu o gamă largă de sisteme de materie condensată. . Acest impuls inițial de „pompă” excită electronii din orbitalii externi (de valență) ai moleculei de apă, care sunt responsabili de legăturile moleculare și de reacțiile chimice. Acești orbitali sunt mai departe de nucleul atomic și au energii de legare mult mai mici decât orbitalii interiori „nucleu”: în jur de 10-40 eV comparativ cu aproximativ 500 eV. Acest lucru face posibilă ionizarea lor - un proces cunoscut sub numele de ionizare de valență - fără a afecta restul moleculei.

La aproximativ 600 de attosecunde după ionizarea de valență, cercetătorii lansează un al doilea impuls de attosecundă – pulsul sondei – la probă, cu o energie de aproximativ 500 eV. „Întârzierea scurtă dintre impulsurile pompei și cele ale sondei este unul dintre motivele pentru care atomii de hidrogen în sine nu au timp să se miște și sunt ca „înghețați”,” explică Young. „Aceasta înseamnă că mișcarea lor nu afectează rezultatele măsurătorilor.”

Când pulsul sondei interacționează cu găurile (locurile libere) rămase în orbitalii de valență în urma ionizării de valență, distribuția energiei pulsului se modifică. Reflectând pulsul dintr-un rețea care dispersează această distribuție de energie pe un detector bidimensional, cercetătorii obțin ceea ce Young numește o „instantanee” spectrală sau „amprentă” spectrală a electronilor care ocupă orbitalii de valență.

Găsirea defectelor în rezultatele anterioare

Observând mișcarea electronilor energizați cu raze X pe măsură ce se deplasează în stări excitate, cercetătorii au descoperit defecte în interpretarea măsurătorilor anterioare ale spectroscopiei cu raze X pe apă. Aceste experimente anterioare au produs semnale cu raze X care păreau să provină din diferite forme structurale, sau „motive”, în dinamica apei sau a atomilor de hidrogen, dar Santra spune că noul studiu arată că nu este cazul.

„În principiu, s-ar fi putut gândi că precizia de timp a acestui tip de experiment este limitată de durata de viață (care este în jur de câteva femtosecunde, sau 10^-15 secunde) din stările cuantice electronice excitate cu raze X produse”, spune el Lumea fizicii. „Prin calcule mecanice cuantice, totuși, am arătat că semnalul observat este limitat la mai puțin de o femtosecundă. Acesta este motivul pentru care am putut arăta că măsurătorile spectroscopiei cu raze X asupra structurii apei lichide au fost interpretate greșit anterior: spre deosebire de aceste măsurători anterioare, ale noastre nu au fost afectate de atomii de hidrogen în mișcare.

Obiective și provocări experimentale

Scopul inițial al cercetătorilor a fost să înțeleagă originea speciilor reactive create atunci când razele X și alte forme de radiații ionizante afectează materie. Aceste specii reactive se formează la o scară de timp attosecundă după ionizare și joacă roluri importante în știința biomedicală și nucleară, precum și în chimie.

Una dintre provocările pe care le-au întâlnit a fost că linia de raze X pe care au folosit-o - ChemRIXS, O parte din Linac Sursă de lumină coerentă de la Laboratorul Național de Accelerator SLAC în Menlo Park, California – a trebuit să fie complet reconfigurat pentru a efectua spectroscopie de absorbție tranzitorie cu raze X attosecunde. Această nouă tehnică puternică face posibilă studierea proceselor pe scale de timp extrem de scurte.

Cercetătorii intenționează acum să-și extindă studiile de la apă pură la lichide mai complexe. „Aici, diferiții constituenți moleculari pot acționa ca capcane pentru electronii eliberați și pot produce noi specii reactive”, spune Young.

Ei își raportează activitatea actuală în Ştiinţă.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/