Новый метод аттосекундной рентгеновской спектроскопии «замораживает» атомные ядра на месте

Теперь ученые могут следить за движением электронов и ионизацией молекул в режиме реального времени благодаря новому методу аттосекундной рентгеновской спектроскопии. Подобно покадровой фотографии, этот метод эффективно «замораживает» атомное ядро ​​на месте, а это означает, что его движение не искажает результаты измерений электронов, свистящих вокруг него. По мнению разработчиков метода, его можно будет использовать не только для исследования структуры молекул, но и для отслеживания рождения и эволюции реактивных частиц, образующихся под действием ионизирующего излучения.

«Химические реакции, вызванные радиацией, которые мы хотим изучить, являются результатом электронного ответа мишени, который происходит в аттосекундном масштабе времени (10^-18 секунд)», — объясняет Линда Молодые, физик из Национальная лаборатория Аргон и Чикагский университет, США, который руководил исследованием вместе с Робин Сантра Немецкий электронен-синхротрон (DESY) и Университет Гамбурга в Германии и Сяосун Ли Университет Вашингтона, НАС. «До сих пор химики-радиологи могли определять события только в пикосекундном масштабе времени (10^-12 секунд), что в миллион раз медленнее аттосекунды. Это все равно, что сказать: «Я родился, а потом умер». Вы хотели бы знать, что происходит между ними. Это то, что мы теперь можем сделать».

Насос и зонд

Новая технология работает следующим образом. Во-первых, исследователи применяют аттосекундный рентгеновский импульс с энергией фотонов 250 электрон-вольт (эВ) к образцу – в данном случае воды, хотя команда утверждает, что этот метод может работать с широким спектром систем конденсированного состояния. . Этот первоначальный импульс «насоса» возбуждает электроны с внешних (валентных) орбиталей молекулы воды, которые отвечают за молекулярные связи и химические реакции. Эти орбитали находятся дальше от атомного ядра и имеют гораздо более низкие энергии связи, чем внутренние «основные» орбитали: около 10-40 эВ по сравнению с примерно 500 эВ. Это позволяет их ионизировать (процесс, известный как валентная ионизация), не затрагивая остальную часть молекулы.

Примерно через 600 аттосекунд после валентной ионизации исследователи направляют на образец второй аттосекундный импульс – зондирующий импульс – с энергией около 500 эВ. «Короткая временная задержка между импульсами накачки и зондирования — одна из причин, почему атомы водорода сами по себе не успевают двигаться и словно «замерзают», — объясняет Янг. «Это означает, что их движение не влияет на результаты измерений».

Когда зондирующий импульс взаимодействует с дырками (вакансиями), оставшимися на валентных орбиталях после валентной ионизации, распределение энергии импульса меняется. Отражая импульс от решетки, которая рассеивает это распределение энергии, на двумерный детектор, исследователи получают то, что Янг ​​называет спектральным «снимком» или «отпечатком пальца» электронов, занимающих валентные орбитали.

Нахождение недостатков в более ранних результатах

Наблюдая за движением электронов, возбужденных рентгеновскими лучами, когда они переходят в возбужденное состояние, исследователи обнаружили недостатки в интерпретации более ранних измерений рентгеновской спектроскопии воды. Эти более ранние эксперименты давали рентгеновские сигналы, которые, казалось, были обусловлены различными структурными формами или «мотивами» в динамике атомов воды или водорода, но Сантра говорит, что новое исследование показывает, что это не так.

«В принципе, можно было подумать, что точность времени такого типа экспериментов ограничена временем жизни (которое составляет около пары фемтосекунд, или 10^-15 секунд) возникающих электронных квантовых состояний, возбужденных рентгеновскими лучами», — рассказывает он. Мир физики. «Однако с помощью квантово-механических расчетов мы показали, что наблюдаемый сигнал ограничен длительностью менее фемтосекунды. Именно по этой причине мы смогли показать, что измерения структуры жидкой воды с помощью рентгеновской спектроскопии ранее интерпретировались неверно: в отличие от этих более ранних измерений, на наши результаты не влияли движущиеся атомы водорода».

Экспериментальные цели и задачи

Первоначальной целью исследователей было понять происхождение реактивных частиц, образующихся при воздействии рентгеновских лучей и других форм ионизирующего излучения на материю. Эти реактивные частицы образуются в аттосекундном масштабе времени после ионизации и играют важную роль в биомедицинской и ядерной науке, а также в химии.

Одна из проблем, с которыми они столкнулись, заключалась в том, что используемый ими рентгеновский луч… ХимRIXS, Часть Когерентный источник света линейного ускорителя на Национальная лаборатория ускорителей SLAC в Менло-Парке, Калифорния – его пришлось полностью переконфигурировать для проведения полностью рентгеновской аттосекундной спектроскопии переходного поглощения. Этот мощный новый метод позволяет изучать процессы в чрезвычайно коротких временных масштабах.

Теперь исследователи планируют расширить свои исследования от чистой воды до более сложных жидкостей. «Здесь различные молекулярные компоненты могут действовать как ловушки для освободившихся электронов и производить новые реакционноспособные частицы», — говорит Янг.

Они сообщают о своей нынешней работе в Наука.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/