Wetenschappers kunnen nu de beweging van elektronen en de ionisatie van moleculen in realtime volgen dankzij een nieuwe attoseconde röntgenspectroscopietechniek. Net als bij stop-motionfotografie 'bevriest' deze techniek de atoomkern effectief op zijn plaats, wat betekent dat de beweging ervan de resultaten van metingen aan de elektronen die eromheen zoeven niet vertekent. Volgens de ontwikkelaars van de techniek zou deze niet alleen kunnen worden gebruikt om de structuur van moleculen te onderzoeken, maar ook om de geboorte en evolutie te volgen van reactieve soorten die zich vormen via ioniserende straling.

“De chemische reacties veroorzaakt door straling die we willen bestuderen zijn het resultaat van de elektronische respons van het doelwit die plaatsvindt op de attoseconde tijdschaal (10^-18 seconden)”, legt uit Linda Jong, een fysicus bij Nationaal laboratorium van Argonne en University of Chicago, VS, die samen met hen het onderzoek leidden Robin Santra van de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Universiteit van Hamburg in Duitsland en Xiao Song Li van de Universiteit van Washington, ONS. “Tot nu toe konden stralingschemici gebeurtenissen alleen oplossen op de tijdschaal van picoseconden (10^-12 seconden), wat een miljoen keer langzamer is dan een attoseconde. Het is net zoiets als zeggen: 'Ik ben geboren en daarna stierf ik.' Je wilt graag weten wat er tussendoor gebeurt. Dat is wat wij nu kunnen doen.”

Pomp en sonde

De nieuwe techniek werkt als volgt. Ten eerste passen de onderzoekers een attoseconde röntgenpuls met een fotonenergie van 250 elektronvolt (eV) toe op een monster – van water, in dit geval, hoewel het team zegt dat de techniek zou kunnen werken met een breed scala aan systemen met gecondenseerde materie. . Deze initiële “pomppuls” wekt elektronen op uit de buitenste (valentie) orbitalen van het watermolecuul, die verantwoordelijk zijn voor moleculaire binding en chemische reacties. Deze orbitalen bevinden zich verder van de atoomkern en hebben veel lagere bindingsenergieën dan de binnenste ‘kern’-orbitalen: ongeveer 10-40 eV vergeleken met ongeveer 500 eV. Dit maakt het mogelijk om ze te ioniseren – een proces dat bekend staat als valentie-ionisatie – zonder de rest van het molecuul te beïnvloeden.

Ongeveer 600 attoseconden na de valentie-ionisatie vuren de onderzoekers een tweede attosecondepuls – de sondepuls – af op het monster, met een energie van ongeveer 500 eV. “De korte tijdsvertraging tussen de pomp- en sondepulsen is een van de redenen waarom de waterstofatomen zelf geen tijd hebben om te bewegen en als ‘bevroren’ zijn”, legt Young uit. “Dit betekent dat hun beweging geen invloed heeft op de meetresultaten.”

Wanneer de sondepuls interageert met de gaten (vacatures) die achterblijven in de valentie-orbitalen na valentie-ionisatie, verandert de energieverdeling van de puls. Door de puls te reflecteren van een rooster dat deze energieverdeling verspreidt naar een tweedimensionale detector, verkrijgen de onderzoekers wat Young een spectrale ‘momentopname’ of ‘vingerafdruk’ noemt van elektronen die de valentie-orbitalen bezetten.

Fouten vinden in eerdere resultaten

Door de beweging van de door röntgenstraling geactiveerde elektronen te observeren terwijl ze in een aangeslagen toestand komen, ontdekten de onderzoekers tekortkomingen in de interpretatie van eerdere röntgenspectroscopiemetingen op water. Deze eerdere experimenten produceerden röntgensignalen die leken voort te komen uit verschillende structurele vormen, of ‘motieven’, in de dynamiek van water- of waterstofatomen, maar Santra zegt dat de nieuwe studie aantoont dat dit niet het geval is.

“In principe zou je kunnen denken dat de timingprecisie van dit soort experimenten wordt beperkt door de levensduur (die ongeveer een paar femtoseconden bedraagt, oftewel 10 seconden).^-15 seconden) van de door röntgenstraling opgewekte elektronische kwantumtoestanden die worden geproduceerd”, vertelt hij Natuurkunde wereld. “Via kwantummechanische berekeningen hebben we echter aangetoond dat het waargenomen signaal beperkt blijft tot minder dan een femtoseconde. Dit is de reden waarom we konden aantonen dat röntgenspectroscopiemetingen aan de structuur van vloeibaar water eerder verkeerd werden geïnterpreteerd: in tegenstelling tot deze eerdere metingen werden de onze niet beïnvloed door bewegende waterstofatomen.”

Experimentele doelen en uitdagingen

Het oorspronkelijke doel van de onderzoekers was om de oorsprong te begrijpen van reactieve soorten die ontstaan ​​wanneer röntgenstralen en andere vormen van ioniserende straling op materie botsen. Deze reactieve soorten ontstaan ​​op een tijdschaal van attoseconden na ionisatie, en spelen een belangrijke rol in de biomedische en nucleaire wetenschap, maar ook in de scheikunde.

Een van de uitdagingen die ze tegenkwamen was dat de röntgenbundellijn die ze gebruikten – ChemRIXSEen deel van de Linac coherente lichtbron de SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Californië – moest volledig opnieuw worden geconfigureerd om all-röntgenattoseconde transiënte absorptiespectroscopie uit te voeren. Deze krachtige nieuwe techniek maakt het mogelijk om processen op extreem korte tijdschalen te bestuderen.

De onderzoekers zijn nu van plan hun onderzoek uit te breiden van zuiver water naar meer complexe vloeistoffen. “Hier kunnen de verschillende moleculaire bestanddelen fungeren als valstrikken voor de vrijgekomen elektronen en nieuwe reactieve soorten produceren”, zegt Young.

Zij rapporteren hun huidige werk in Wetenschap.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/