Οι επιστήμονες μπορούν πλέον να παρακολουθούν την κίνηση των ηλεκτρονίων και τον ιονισμό των μορίων σε πραγματικό χρόνο χάρη σε μια νέα τεχνική φασματοσκοπίας ακτίνων Χ attosecond. Όπως η φωτογραφία stop-motion, η τεχνική ουσιαστικά «παγώνει» τον ατομικό πυρήνα στη θέση του, πράγμα που σημαίνει ότι η κίνησή του δεν παραμορφώνει τα αποτελέσματα των μετρήσεων στα ηλεκτρόνια που σφυρίζουν γύρω του. Σύμφωνα με τους δημιουργούς της τεχνικής, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για την ανίχνευση της δομής των μορίων, αλλά και για την παρακολούθηση της γέννησης και της εξέλιξης αντιδραστικών ειδών που σχηματίζονται μέσω ιονίζουσας ακτινοβολίας.

«Οι χημικές αντιδράσεις που προκαλούνται από την ακτινοβολία που θέλουμε να μελετήσουμε είναι το αποτέλεσμα της ηλεκτρονικής απόκρισης του στόχου που συμβαίνει στη χρονική κλίμακα attosecond (10^-18 δευτερόλεπτα)», εξηγεί Λίντα Γιανγκ, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne και την Πανεπιστήμιο του Σικάγου, ΗΠΑ, ο οποίος συνηγήθηκε της έρευνας μαζί με Ρόμπιν Σάντρα του Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) και την Πανεπιστήμιο του Αμβούργου στη Γερμανία και Xiaosong Li του University of Washington, ΗΠΑ. «Μέχρι τώρα, οι χημικοί ακτινοβολίας μπορούσαν να επιλύσουν γεγονότα μόνο σε χρονική κλίμακα του πικοδευτερολέπτου (10^-12 δευτερόλεπτα), που είναι ένα εκατομμύριο φορές πιο αργό από ένα αττοδευτερόλεπτο. Είναι σαν να λέμε «Γεννήθηκα και μετά πέθανα». Θα θέλατε να μάθετε τι συμβαίνει στο ενδιάμεσο. Αυτό είμαστε πλέον σε θέση να κάνουμε».

Αντλία και αισθητήρας

Η νέα τεχνική λειτουργεί ως εξής. Πρώτον, οι ερευνητές εφαρμόζουν έναν παλμό ακτίνων Χ attosecond με ενέργεια φωτονίου 250 ηλεκτρονιοβολτ (eV) σε ένα δείγμα - νερού, σε αυτή την περίπτωση, αν και η ομάδα λέει ότι η τεχνική θα μπορούσε να λειτουργήσει με ένα ευρύ φάσμα συστημάτων συμπυκνωμένης ύλης . Αυτός ο αρχικός παλμός «αντλίας» διεγείρει τα ηλεκτρόνια από τα εξωτερικά τροχιακά (σθένους) του μορίου του νερού, τα οποία είναι υπεύθυνα για τους μοριακούς δεσμούς και τις χημικές αντιδράσεις. Αυτά τα τροχιακά βρίσκονται πιο μακριά από τον ατομικό πυρήνα και έχουν πολύ χαμηλότερες ενέργειες δέσμευσης από τα τροχιακά του εσωτερικού «πυρήνα»: περίπου 10-40 eV σε σύγκριση με περίπου 500 eV. Αυτό καθιστά δυνατό τον ιονισμό τους - μια διαδικασία γνωστή ως ιονισμός σθένους - χωρίς να επηρεάζεται το υπόλοιπο μόριο.

Περίπου 600 attosecond μετά τον ιονισμό σθένους, οι ερευνητές πυροδοτούν έναν δεύτερο παλμό attosecond - τον παλμό ανιχνευτή - στο δείγμα, με ενέργεια περίπου 500 eV. «Η μικρή χρονική καθυστέρηση μεταξύ των παλμών της αντλίας και του ανιχνευτή είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους τα ίδια τα άτομα υδρογόνου δεν έχουν χρόνο να κινηθούν και είναι σαν «παγωμένα»», εξηγεί ο Young. «Αυτό σημαίνει ότι η κίνησή τους δεν επηρεάζει τα αποτελέσματα των μετρήσεων».

Όταν ο παλμός του ανιχνευτή αλληλεπιδρά με τις οπές (κενές θέσεις) που αφήνονται πίσω στα τροχιακά σθένους μετά τον ιονισμό σθένους, η κατανομή ενέργειας του παλμού αλλάζει. Ανακλώντας τον παλμό από ένα πλέγμα που διασκορπίζει αυτήν την κατανομή ενέργειας σε έναν δισδιάστατο ανιχνευτή, οι ερευνητές αποκτούν αυτό που ο Young αποκαλεί φασματικό «στιγμιότυπο» ή «δαχτυλικό αποτύπωμα» ηλεκτρονίων που καταλαμβάνουν τα τροχιακά σθένους.

Εύρεση ελαττωμάτων σε προηγούμενα αποτελέσματα

Παρατηρώντας την κίνηση των ηλεκτρονίων που ενεργοποιούνται από ακτίνες Χ καθώς κινούνται σε διεγερμένες καταστάσεις, οι ερευνητές αποκάλυψαν ελαττώματα στην ερμηνεία παλαιότερων μετρήσεων φασματοσκοπίας ακτίνων Χ στο νερό. Αυτά τα προηγούμενα πειράματα παρήγαγαν σήματα ακτίνων Χ που φαινόταν να προέρχονται από διαφορετικά δομικά σχήματα ή ​"μοτίβα" στη δυναμική των ατόμων νερού ή υδρογόνου, αλλά ο Santra λέει ότι η νέα μελέτη δείχνει ότι αυτό δεν συμβαίνει.

«Καταρχήν, θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί ότι η χρονική ακρίβεια αυτού του τύπου πειράματος περιορίζεται από τη διάρκεια ζωής (που είναι περίπου μερικά φέμτο δευτερόλεπτα ή 10^-15 δευτερόλεπτα) των ηλεκτρονικών κβαντικών καταστάσεων που παράγονται με ακτίνες Χ», λέει Κόσμος Φυσικής. «Μέσω κβαντομηχανικών υπολογισμών, ωστόσο, δείξαμε ότι το παρατηρούμενο σήμα περιορίζεται σε λιγότερο από ένα femtosecond. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπορέσαμε να δείξουμε ότι οι μετρήσεις φασματοσκοπίας ακτίνων Χ στη δομή του υγρού νερού είχαν παρερμηνευθεί στο παρελθόν: σε αντίθεση με αυτές τις προηγούμενες μετρήσεις, οι δικές μας δεν επηρεάστηκαν από κινούμενα άτομα υδρογόνου».

Πειραματικοί στόχοι και προκλήσεις

Ο αρχικός στόχος των ερευνητών ήταν να κατανοήσουν την προέλευση των αντιδρώντων ειδών που δημιουργούνται όταν οι ακτίνες Χ και άλλες μορφές ιονίζουσας ακτινοβολίας προσκρούουν στην ύλη. Αυτά τα αντιδρώντα είδη σχηματίζονται σε μια χρονική κλίμακα attosecond μετά τον ιονισμό και παίζουν σημαντικό ρόλο στη βιοϊατρική και πυρηνική επιστήμη καθώς και στη χημεία.

Μία από τις προκλήσεις που αντιμετώπισαν ήταν ότι η γραμμή δέσμης ακτίνων Χ που χρησιμοποιούσαν – ChemRIXS, Τμήμα της Συνεκτική πηγή φωτός Linac κατά τη Εθνικό εργαστήριο επιταχυντών SLAC στο Menlo Park της Καλιφόρνια – έπρεπε να αναδιαμορφωθεί πλήρως για να πραγματοποιηθεί φασματοσκοπία παροδικής απορρόφησης ακτίνων Χ ατό δευτερολέπτου. Αυτή η ισχυρή νέα τεχνική καθιστά δυνατή τη μελέτη διαδικασιών σε εξαιρετικά σύντομες χρονικές κλίμακες.

Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να επεκτείνουν τις μελέτες τους από το καθαρό νερό σε πιο πολύπλοκα υγρά. «Εδώ, τα διαφορετικά μοριακά συστατικά μπορούν να λειτουργήσουν ως παγίδες για τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια και να παράγουν νέα αντιδραστικά είδη», λέει ο Young.

Αναφέρουν την παρούσα εργασία τους στο Επιστήμη.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/