เทคนิค X-ray spectroscopy ของ attosecond ใหม่ 'หยุด' นิวเคลียสของอะตอมในสถานที่ - Physics World

ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถติดตามการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและการแตกตัวเป็นไอออนของโมเลกุลได้แบบเรียลไทม์ด้วยเทคนิคเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีระดับ attosecond ใหม่ เช่นเดียวกับการถ่ายภาพสต็อปโมชัน เทคนิคนี้จะ "หยุด" นิวเคลียสของอะตอมให้อยู่กับที่ ซึ่งหมายความว่าการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสจะไม่บิดเบือนผลการวัดอิเล็กตรอนที่หมุนวนไปรอบๆ ตามที่นักพัฒนาเทคนิคระบุว่า สามารถใช้ไม่เพียงแต่เพื่อตรวจสอบโครงสร้างของโมเลกุลเท่านั้น แต่ยังติดตามการเกิดและวิวัฒนาการของสปีชีส์ที่เกิดปฏิกิริยาซึ่งก่อตัวผ่านการแผ่รังสีไอออไนซ์อีกด้วย

“ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดจากรังสีที่เราต้องการศึกษาเป็นผลจากการตอบสนองทางอิเล็กทรอนิกส์ของเป้าหมายที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาระดับอัตโตวินาที (10^-18 วินาที)” อธิบาย ลินดา ยัง, นักฟิสิกส์ที่ อาร์กอนห้องปฏิบัติการแห่งชาติ และ มหาวิทยาลัยชิคาโกจากประเทศสหรัฐอเมริกาซึ่งร่วมเป็นผู้นำการวิจัยร่วมกับ โรบิน ซานตรา ของ Deutsches Elektronen-ซินโครตรอน (DESY) และ มหาวิทยาลัยฮัมบูร์ก ในเยอรมนีและ เสี่ยวซง ลี่ ของ มหาวิทยาลัยวอชิงตัน, เรา. “จนถึงขณะนี้ นักเคมีด้านรังสีสามารถแก้ไขเหตุการณ์ได้เฉพาะในระดับเวลา picosecond เท่านั้น (10^-12 วินาที) ซึ่งช้ากว่าหนึ่งอัตโตวินาทีเป็นล้านเท่า มันเหมือนกับการพูดว่า 'ฉันเกิดแล้วฉันก็ตาย' คุณต้องการทราบว่าจะเกิดอะไรขึ้นในระหว่างนี้ นั่นคือสิ่งที่เราทำได้ในตอนนี้”

ปั๊มและโพรบ

เทคนิคใหม่ทำงานดังนี้ ขั้นแรก นักวิจัยใช้พัลส์รังสีเอกซ์ attosecond ที่มีพลังงานโฟตอน 250 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) กับตัวอย่างของน้ำ ในกรณีนี้ แม้ว่าทีมงานจะบอกว่าเทคนิคนี้สามารถทำงานร่วมกับระบบสสารควบแน่นได้หลากหลาย . พัลส์ "ปั๊ม" เริ่มต้นนี้กระตุ้นอิเล็กตรอนจากวงโคจรด้านนอก (วาเลนซ์) ของโมเลกุลน้ำ ซึ่งมีหน้าที่ในการสร้างพันธะโมเลกุลและปฏิกิริยาทางเคมี ออร์บิทัลเหล่านี้อยู่ห่างจากนิวเคลียสของอะตอม และมีพลังงานยึดเหนี่ยวต่ำกว่าออร์บิทัล "แกนกลาง" ภายในมาก: ประมาณ 10-40 eV เทียบกับประมาณ 500 eV ซึ่งทำให้สามารถแตกตัวเป็นไอออนได้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าวาเลนซ์ไอออไนเซชัน โดยไม่กระทบต่อส่วนที่เหลือของโมเลกุล

ประมาณ 600 อัตโตวินาทีหลังจากการแตกตัวเป็นไอออน นักวิจัยจะยิงพัลส์ของอัตโตวินาทีที่สองที่เรียกว่าพัลส์โพรบไปที่ตัวอย่าง โดยมีพลังงานประมาณ 500 eV “การหน่วงเวลาสั้นๆ ระหว่างพัลส์ของปั๊มและโพรบเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้อะตอมไฮโดรเจนไม่มีเวลาเคลื่อนที่และเหมือน 'แข็งตัว'” Young อธิบาย “ซึ่งหมายความว่าการเคลื่อนไหวของพวกมันไม่ส่งผลกระทบต่อผลการวัด”

เมื่อพัลส์โพรบโต้ตอบกับรู (ตำแหน่งว่าง) ที่เหลืออยู่ในเวเลนซ์ออร์บิทัลหลังจากเวเลนซ์ไอออไนซ์ การกระจายพลังงานของพัลส์จะเปลี่ยนไป ด้วยการสะท้อนพัลส์จากตะแกรงที่กระจายการกระจายพลังงานนี้ไปยังเครื่องตรวจจับสองมิติ นักวิจัยได้สิ่งที่ Young เรียกว่า "ภาพรวม" หรือ "ลายนิ้วมือ" ของสเปกตรัมของอิเล็กตรอนที่ครอบครองวงโคจรของวาเลนซ์

ค้นหาข้อบกพร่องในผลลัพธ์ก่อนหน้า

จากการสังเกตการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ได้รับพลังงานรังสีเอกซ์ขณะที่พวกมันเคลื่อนที่เข้าสู่สภาวะที่ตื่นเต้น นักวิจัยได้ค้นพบข้อบกพร่องในการตีความการตรวจวัดเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีก่อนหน้านี้ในน้ำ การทดลองก่อนหน้านี้เหล่านี้สร้างสัญญาณรังสีเอกซ์ที่ดูเหมือนมาจากรูปร่างโครงสร้างที่แตกต่างกัน หรือ “ลวดลาย” ในพลวัตของอะตอมของน้ำหรือไฮโดรเจน แต่ซานทรากล่าวว่าการศึกษาใหม่แสดงให้เห็นว่าไม่เป็นเช่นนั้น

“ตามหลักการแล้ว ใครๆ ก็สามารถคิดว่าความแม่นยำของจังหวะเวลาของการทดลองประเภทนี้ถูกจำกัดด้วยอายุการใช้งาน (ซึ่งก็คือประมาณสองสามเฟมโตวินาที หรือ 10 วินาที)^-15 วินาที) ของสถานะควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์ที่เกิดจากรังสีเอกซ์ที่เกิดขึ้น” เขากล่าว โลกฟิสิกส์. “อย่างไรก็ตาม จากการคำนวณทางกลควอนตัม เราได้แสดงให้เห็นว่าสัญญาณที่สังเกตได้นั้นถูกจำกัดให้น้อยกว่าหนึ่งเฟมโตวินาที นี่คือเหตุผลที่เราสามารถแสดงให้เห็นว่าการตรวจวัดด้วยรังสีเอกซ์สเปกโทรสโกปีบนโครงสร้างของน้ำของเหลวเคยถูกตีความหมายผิด ซึ่งแตกต่างจากการตรวจวัดก่อนหน้านี้ การวัดของเราไม่ได้รับผลกระทบจากการเคลื่อนที่ของอะตอมไฮโดรเจน”

เป้าหมายการทดลองและความท้าทาย

เป้าหมายเริ่มแรกของนักวิจัยคือการทำความเข้าใจต้นกำเนิดของสปีชีส์ที่เกิดปฏิกิริยาซึ่งเกิดขึ้นเมื่อรังสีเอกซ์และรังสีไอออไนซ์ในรูปแบบอื่นกระทบกับสสาร สปีชีส์ที่เกิดปฏิกิริยาเหล่านี้ก่อตัวขึ้นในช่วงเวลาระดับหนึ่งวินาทีหลังจากการไอออไนซ์ และพวกมันมีบทบาทสำคัญในด้านวิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์และนิวเคลียร์ ตลอดจนเคมี

หนึ่งในความท้าทายที่พวกเขาพบคือลำแสงรังสีเอกซ์ที่พวกเขาใช้ – เคมริกส์เป็นส่วนหนึ่งของ Linac แหล่งกำเนิดแสงที่เชื่อมโยงกัน ที่ ห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ SLAC ในเมนโลพาร์ก แคลิฟอร์เนีย – ต้องได้รับการกำหนดค่าใหม่ทั้งหมดเพื่อทำการตรวจสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงชั่วคราวด้วยรังสีเอ็กซ์เรย์อัตโตวินาทีทั้งหมด เทคนิคใหม่อันทรงพลังนี้ทำให้สามารถศึกษากระบวนการในระยะเวลาอันสั้นมากได้

ขณะนี้นักวิจัยวางแผนที่จะขยายการศึกษาจากน้ำบริสุทธิ์ไปสู่ของเหลวที่ซับซ้อนมากขึ้น “ที่นี่ องค์ประกอบโมเลกุลที่แตกต่างกันสามารถทำหน้าที่เป็นกับดักสำหรับอิเล็กตรอนอิสระและก่อให้เกิดสายพันธุ์ปฏิกิริยาใหม่” Young กล่าว

พวกเขารายงานผลงานปัจจุบันของพวกเขาใน วิทยาศาสตร์.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/