Nova attosekundna tehnika rentgenske spektroskopije 'zamrzne' atomska jedra na mestu – Physics World

Znanstveniki lahko zdaj sledijo gibanju elektronov in ionizaciji molekul v realnem času zahvaljujoč novi tehniki atosekundne rentgenske spektroskopije. Tako kot stop-motion fotografija tehnika učinkovito "zamrzne" atomsko jedro na mestu, kar pomeni, da njegovo gibanje ne popači rezultatov meritev na elektronih, ki švigajo okoli njega. Po besedah ​​razvijalcev tehnike bi jo lahko uporabili ne le za raziskovanje strukture molekul, ampak tudi za sledenje rojstva in evolucije reaktivnih vrst, ki nastanejo z ionizirajočim sevanjem.

»Kemične reakcije, ki jih povzroča sevanje, ki jih želimo preučiti, so rezultat elektronskega odziva tarče, ki se zgodi na atosekundni časovni skali (10^-18 sekund),« pojasnjuje Linda Young, fizik na Argonne National Laboratory in University of Chicago, ZDA, ki je skupaj z Robin Santra od Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Univerza v Hamburgu v Nemčiji in Xiaosong Li od Univerza v Washingtonu, ZDA. »Do zdaj so kemiki za sevanje lahko razreševali samo dogodke v pikosekundnem časovnem merilu (10^-12 sekund), kar je milijonkrat počasneje od atosekunde. To je nekako tako, kot če bi rekli 'Rodil sem se in nato umrl.' Rad bi vedel, kaj se zgodi vmes. To je tisto, kar smo zdaj sposobni narediti.”

Črpalka in sonda

Nova tehnika deluje na naslednji način. Najprej raziskovalci uporabijo atosekundni rentgenski impulz z energijo fotona 250 elektronskih voltov (eV) na vzorec – v tem primeru vode, čeprav ekipa pravi, da bi tehnika lahko delovala s širokim spektrom sistemov kondenzirane snovi. . Ta začetni impulz »črpalke« vzbudi elektrone iz zunanjih (valentnih) orbital vodne molekule, ki so odgovorne za molekularno vezavo in kemične reakcije. Te orbitale so dlje od atomskega jedra in imajo veliko nižje energije vezave kot notranje "jedrne" orbitale: okoli 10-40 eV v primerjavi s približno 500 eV. To omogoča njihovo ionizacijo – proces, znan kot valenčna ionizacija – brez vpliva na preostali del molekule.

Približno 600 atosekund po valenčni ionizaciji raziskovalci sprožijo drugi atosekundni impulz – impulz sonde – na vzorcu z energijo okoli 500 eV. "Kratek časovni zamik med impulzi črpalke in sonde je eden od razlogov, zakaj sami vodikovi atomi nimajo časa za premikanje in so kot 'zamrznjeni'," pojasnjuje Young. "To pomeni, da njihovo gibanje ne vpliva na rezultate meritev."

Ko impulz sonde medsebojno vpliva na luknje (prosta mesta), ki ostanejo v valenčnih orbitalah po valenčni ionizaciji, se porazdelitev energije impulza spremeni. Z odsevom impulza iz rešetke, ki razprši to porazdelitev energije na dvodimenzionalni detektor, raziskovalci dobijo tisto, kar Young imenuje spektralni "posnetek" ali "prstni odtis" elektronov, ki zasedajo valenčne orbitale.

Iskanje napak v prejšnjih rezultatih

Z opazovanjem gibanja z rentgenskimi žarki napolnjenih elektronov, ko se premikajo v vzbujena stanja, so raziskovalci odkrili napake v interpretaciji prejšnjih meritev rentgenske spektroskopije na vodi. Ti prejšnji poskusi so ustvarili rentgenske signale, za katere se je zdelo, da izhajajo iz različnih strukturnih oblik ali »motivov« v dinamiki vode ali vodikovih atomov, vendar Santra pravi, da nova študija kaže, da temu ni tako.

»Načeloma bi si lahko mislili, da je časovna natančnost te vrste eksperimenta omejena z življenjsko dobo (ki je približno nekaj femtosekund ali 10^-15 sekund) proizvedenih elektronskih kvantnih stanj, vzbujenih z rentgenskimi žarki,« pove Svet fizike. »S kvantno-mehanskimi izračuni pa smo pokazali, da je opazovani signal omejen na manj kot femtosekundo. To je razlog, zakaj smo lahko pokazali, da so bile meritve rentgenske spektroskopije o strukturi tekoče vode predhodno napačno interpretirane: v nasprotju s temi prejšnjimi meritvami na naše niso vplivali premikajoči se vodikovi atomi.«

Eksperimentalni cilji in izzivi

Prvotni cilj raziskovalcev je bil razumeti izvor reaktivnih vrst, ki nastanejo, ko rentgenski žarki in druge oblike ionizirajočega sevanja vplivajo na snov. Te reaktivne vrste se po ionizaciji tvorijo na atosekundni časovni lestvici in igrajo pomembno vlogo v biomedicinski in jedrski znanosti ter kemiji.

Eden od izzivov, s katerimi so se srečali, je bil, da je rentgenski žarek, ki so ga uporabili – ChemRIXS, Ki je del Linac koherentni svetlobni vir pri SLAC Nacionalni pospeševalni laboratorij v Menlo Parku v Kaliforniji – ga je bilo treba popolnoma preoblikovati za izvajanje vse-rentgenske attosekundne prehodne absorpcijske spektroskopije. Ta zmogljiva nova tehnika omogoča preučevanje procesov v izjemno kratkih časovnih skalah.

Raziskovalci zdaj nameravajo svoje študije razširiti s čiste vode na bolj zapletene tekočine. "Tukaj lahko različne molekularne sestavine delujejo kot pasti za sproščene elektrone in proizvajajo nove reaktivne vrste," pravi Young.

O svojem dosedanjem delu poročajo v Znanost.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/