Нова техніка аттосекундної рентгенівської спектроскопії «заморожує» атомні ядра на місці – Physics World

Тепер вчені можуть стежити за рухом електронів та іонізацією молекул у реальному часі завдяки новій аттосекундній рентгенівській спектроскопії. Подібно до фотозйомки з рухом, ця техніка ефективно «заморожує» атомне ядро ​​на місці, тобто його рух не спотворює результати вимірювань електронів, що рухаються навколо нього. За словами розробників методики, її можна використовувати не тільки для дослідження структури молекул, але й для відстеження народження та еволюції реактивних видів, які утворюються за допомогою іонізуючого випромінювання.

«Хімічні реакції, викликані радіацією, які ми хочемо вивчити, є результатом електронної реакції мішені, яка відбувається на аттосекундному часовому масштабі (10^-18 секунд)", - пояснює Лінда Янг, фізик в Аргонна Національна лабораторія і Чиказький університет, США, який керував дослідженням разом з Робін Сантра в Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) і Гамбургський університет у Німеччині та Сяосон Лі в Університет Вашингтона, НАС. «Досі радіаційні хіміки могли розпізнавати події лише на пікосекундному часовому масштабі (10^-12 секунд), що в мільйон разів повільніше, ніж аттосекунда. Це щось на кшталт того, що сказати: «Я народився, а потім помер». Ви б хотіли знати, що відбувається між ними. Ось що ми зараз можемо зробити».

Насос і зонд

Нова техніка працює наступним чином. По-перше, дослідники застосовують аттосекундний рентгенівський імпульс з енергією фотонів 250 електрон-вольт (еВ) до зразка – у цьому випадку води, хоча команда каже, що цей метод може працювати з широким спектром систем конденсованого середовища. . Цей початковий імпульс «накачування» збуджує електрони із зовнішніх (валентних) орбіталей молекули води, які відповідають за молекулярні зв’язки та хімічні реакції. Ці орбіталі знаходяться далі від атомного ядра, і вони мають набагато нижчу енергію зв’язку, ніж внутрішні орбіталі «ядра»: приблизно 10-40 еВ порівняно з приблизно 500 еВ. Це робить можливим їх іонізацію – процес, відомий як валентна іонізація – без впливу на решту молекули.

Приблизно через 600 аттосекунд після валентної іонізації дослідники запускають другий аттосекундний імпульс – пробний імпульс – на зразок з енергією приблизно 500 еВ. «Коротка затримка між імпульсами накачування та зонду є однією з причин того, чому самі атоми водню не встигають рухатися й наче «заморожені», — пояснює Янг. «Це означає, що їх рух не впливає на результати вимірювань».

Коли пробний імпульс взаємодіє з дірками (вакансіями), що залишилися на валентних орбіталях після валентної іонізації, розподіл енергії імпульсу змінюється. Відображаючи імпульс від решітки, яка розподіляє цей розподіл енергії на двовимірний детектор, дослідники отримують те, що Янг ​​називає спектральним «знімком» або «відбитком» електронів, що займають валентні орбіталі.

Пошук недоліків у попередніх результатах

Спостерігаючи рух рентгенівських електронів, коли вони переходять у збуджений стан, дослідники виявили недоліки в інтерпретації попередніх вимірювань рентгенівської спектроскопії на воді. Ці попередні експерименти створили рентгенівські сигнали, які, здавалося, походять від різних структурних форм або «мотивів» у динаміці води або атомів водню, але Сантра каже, що нове дослідження показує, що це не так.

«В принципі, можна було б подумати, що точність синхронізації цього типу експерименту обмежена часом життя (який становить близько кількох фемтосекунд, або 10^-15 секунд) збуджених рентгенівськими променями електронних квантових станів, створених», — розповідає він Світ фізики. «Проте за допомогою квантово-механічних розрахунків ми показали, що спостережуваний сигнал обмежується менш ніж фемтосекундою. Це причина, чому ми змогли показати, що рентгенівські спектроскопічні вимірювання структури рідкої води раніше були неправильно витлумачені: на відміну від цих попередніх вимірювань, на наші не впливали рухомі атоми водню».

Експериментальні цілі та завдання

Початкова мета дослідників полягала в тому, щоб зрозуміти походження реактивних речовин, які утворюються, коли рентгенівські промені та інші форми іонізуючого випромінювання впливають на речовину. Ці реактивні види утворюються в аттосекундному часовому масштабі після іонізації, і вони відіграють важливу роль у біомедичній та ядерній науці, а також хімії.

Однією з проблем, з якою вони зіткнулися, було те, що рентгенівський промінь, який вони використовували, ChemRIXS, частина Лінаковий когерентний джерело світла в Національна лабораторія прискорень SLAC у Менло-Парку, штат Каліфорнія – довелося повністю переконфігурувати для виконання повністю рентгенівської аттосекундної спектроскопії перехідного поглинання. Ця потужна нова техніка дає змогу вивчати процеси в надзвичайно коротких масштабах часу.

Тепер дослідники планують розширити свої дослідження від чистої води до більш складних рідин. «Тут різні молекулярні складові можуть діяти як пастки для звільнених електронів і створювати нові реакційноздатні види», — каже Янг.

Вони звітують про свою поточну роботу в наука.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/