新型阿秒 X 射线光谱技术将原子核“冻结”到位 – 物理世界

借助新的阿秒 X 射线光谱技术，科学家现在可以实时跟踪电子的运动和分子的电离。与定格摄影一样，该技术有效地将原子核“冻结”在适当的位置，这意味着它的运动不会扭曲围绕其旋转的电子的测量结果。据该技术的开发人员称，它不仅可以用来探测分子的结构，还可以用来追踪通过电离辐射形成的活性物质的诞生和演化。

“我们想要研究的辐射引起的化学反应是目标在阿秒时间尺度（10^-18 秒），”解释说 琳达·杨（Linda Young）, 物理学家 阿贡国家实验室 和 University of Chicago ，美国，谁共同领导了这项研究 罗宾·桑特拉 的 德国电子同步加速器 (DESY) 和 汉堡大学 在德国和 李晓松 的 University of Washington ， 我们。 “到目前为止，辐射化学家只能解决皮秒时间尺度的事件（10^-12 秒），比阿秒慢一百万倍。这有点像说“我出生了，然后我死了”。你想知道这之间发生了什么。这就是我们现在能够做到的。”

泵和探头

新技术的工作原理如下。首先，研究人员将光子能量为 250 电子伏 (eV) 的阿秒 X 射线脉冲应用于水样本，尽管该团队表示该技术可以适用于各种凝聚态物质系统。这个初始的“泵”脉冲从水分子的外（价）轨道激发电子，这些电子负责分子键合和化学反应。这些轨道距离原子核更远，它们的结合能比内部“核心”轨道低得多：大约 10-40 eV，而大约 500 eV。这使得它们可以电离——这一过程称为价电离——而不影响分子的其余部分。

价电离后约 600 阿秒，研究人员向样品发射第二个阿秒脉冲（探测脉冲），能量约为 500 eV。 “泵浦脉冲和探测脉冲之间的短时间延迟是氢原子本身没有时间移动并且像‘冻结’一样的原因之一，”Young 解释道。 “这意味着它们的移动不会影响测量结果。”

当探测脉冲与价电离后价轨道中留下的空穴（空位）相互作用时，脉冲的能量分布会发生变化。通过将来自光栅的脉冲反射到二维探测器上，将这种能量分布分散到二维探测器上，研究人员获得了杨所说的占据价轨道的电子的光谱“快照”或“指纹”。

寻找早期结果中的缺陷

通过观察 X 射线激发电子进入激发态时的运动，研究人员发现了早期水 X 射线光谱测量解释中的缺陷。这些早期实验产生的 X 射线信号似乎源于水或氢原子动力学中的不同结构形状或“基序”，但桑特拉表示，新研究表明情况并非如此。

“原则上，人们可能会认为这类实验的计时精度受到寿命的限制（大约是几飞秒，或 10^-15 秒）产生的 X 射线激发电子量子态，”他告诉我们 物理世界。 “然而，通过量子力学计算，我们表明观察到的信号仅限于不到飞秒。这就是为什么我们能够证明液态水结构的 X 射线光谱测量先前被误解：与这些早期的测量不同，我们的测量不受移动氢原子的影响。”

实验目标和挑战

研究人员的最初目标是了解 X 射线和其他形式的电离辐射撞击物质时产生的活性物质的起源。这些活性物质在电离后在阿秒时间尺度上形成，它们在生物医学、核科学以及化学中发挥着重要作用。

他们遇到的挑战之一是他们使用的 X 射线束线 – 化学RIXS，一部分的 直线加速器相干光源 在 SLAC国家加速器实验室 位于加利福尼亚州门洛帕克 - 必须完全重新配置才能执行全 X 射线阿秒瞬态吸收光谱。这种强大的新技术使得在极短的时间尺度上研究过程成为可能。

研究人员现在计划将他们的研究从纯水扩展到更复杂的液体。 “在这里，不同的分子成分可以充当自由电子的陷阱，并产生新的活性物质，”杨说。

他们报告了目前的工作 科学.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/