Forskare kan nu följa elektronernas rörelse och joniseringen av molekyler i realtid tack vare en ny teknik för attosekundröntgenspektroskopi. Liksom stop-motion-fotografering "fryser" tekniken effektivt atomkärnan på plats, vilket innebär att dess rörelse inte förvränger resultaten av mätningar på elektronerna som susar runt den. Enligt teknikens utvecklare skulle den kunna användas inte bara för att undersöka strukturen hos molekyler, utan också för att spåra födelsen och utvecklingen av reaktiva arter som bildas via joniserande strålning.

"De kemiska reaktioner som induceras av strålning som vi vill studera är resultatet av det elektroniska svaret från målet som sker på attosekundens tidsskala (10^-18 sekunder), förklarar Linda Young, fysiker vid Argonne National Laboratory och University of Chicago, USA, som ledde forskningen tillsammans med Robin Santa av Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) och Universitetet i Hamburg i Tyskland och Xiaosong Li av University of Washington, USA. "Tills nu har strålningskemister bara kunnat lösa händelser på pikosekunders tidsskala (10^-12 sekunder), vilket är en miljon gånger långsammare än en attosekund. Det är ungefär som att säga "Jag föddes och sedan dog jag." Du vill veta vad som händer däremellan. Det är vad vi nu kan göra.”

Pump och sond

Den nya tekniken fungerar enligt följande. Först applicerar forskarna en attosecond röntgenpuls med en fotonenergi på 250 elektronvolt (eV) på ett prov - av vatten, i det här fallet, även om teamet säger att tekniken skulle kunna fungera med ett brett utbud av kondenserad materia system . Denna initiala "pump"-puls exciterar elektroner från vattenmolekylens yttre (valens) orbitaler, som är ansvariga för molekylär bindning och kemiska reaktioner. Dessa orbitaler är längre bort från atomkärnan och de har mycket lägre bindningsenergier än de inre "kärnorna": runt 10-40 eV jämfört med cirka 500 eV. Detta gör det möjligt att jonisera dem – en process som kallas valensjonisering – utan att påverka resten av molekylen.

Cirka 600 attosekunder efter valensjoniseringen avfyrar forskarna en andra attosekundspuls – sondpulsen – mot provet, med en energi på cirka 500 eV. "Den korta tidsfördröjningen mellan pump- och sondpulserna är en av anledningarna till att väteatomerna själva inte hinner röra sig och är som "frusna", förklarar Young. "Detta betyder att deras rörelse inte påverkar mätresultaten."

När sondpulsen interagerar med hålen (vakanser) som lämnas kvar i valensorbitalerna efter valensjonisering ändras pulsens energifördelning. Genom att reflektera pulsen från ett gitter som sprider denna energifördelning på en tvådimensionell detektor, får forskarna vad Young kallar en spektral "ögonblicksbild" eller "fingeravtryck" av elektroner som upptar valensorbitaler.

Hitta brister i tidigare resultat

Genom att observera rörelsen hos de röntgenenergidrivna elektronerna när de rör sig in i exciterade tillstånd, upptäckte forskarna brister i tolkningen av tidigare röntgenspektroskopimätningar på vatten. Dessa tidigare experiment producerade röntgensignaler som verkade härröra från olika strukturella former, eller "motiv", i dynamiken hos vatten- eller väteatomer, men Santra säger att den nya studien visar att så inte är fallet.

"I princip kunde man ha trott att tidsprecisionen för den här typen av experiment begränsas av livslängden (som är runt ett par femtosekunder, eller 10^-15 sekunder) av de röntgenexciterade elektroniska kvanttillstånden som produceras”, berättar han Fysikvärlden. "Genom kvantmekaniska beräkningar visade vi dock att den observerade signalen är begränsad till mindre än en femtosekund. Detta är anledningen till att vi kunde visa att röntgenspektroskopimätningar på strukturen av flytande vatten tidigare hade misstolkats: till skillnad från dessa tidigare mätningar, påverkades inte våra av rörliga väteatomer."

Experimentella mål och utmaningar

Forskarnas initiala mål var att förstå ursprunget till reaktiva arter som skapas när röntgenstrålar och andra former av joniserande strålning träffar materia. Dessa reaktiva arter bildas på en attosekundsskala efter jonisering, och de spelar viktiga roller inom biomedicinsk och nukleär vetenskap samt kemi.

En av utmaningarna de stötte på var att röntgenstrållinjen de använde – ChemRIXS, del av Linac koherent ljuskälla vid SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien – var tvungen att helt omkonfigureras för att utföra all-röntgen attosecond transient absorptionsspektroskopi. Denna kraftfulla nya teknik gör det möjligt att studera processer på extremt korta tidsskalor.

Forskarna planerar nu att utöka sina studier från rent vatten till mer komplexa vätskor. "Här kan de olika molekylära beståndsdelarna fungera som fällor för de frigjorda elektronerna och producera nya reaktiva arter," säger Young.

De redovisar sitt nuvarande arbete i Vetenskap.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/