Các nhà khoa học hiện có thể theo dõi chuyển động của các electron và sự ion hóa của các phân tử trong thời gian thực nhờ kỹ thuật quang phổ tia X atto giây mới. Giống như chụp ảnh chuyển động tĩnh, kỹ thuật này “đóng băng” hạt nhân nguyên tử tại chỗ một cách hiệu quả, nghĩa là chuyển động của nó không làm sai lệch kết quả đo trên các electron chuyển động vùn vụt xung quanh nó. Theo các nhà phát triển kỹ thuật, nó không chỉ có thể được sử dụng để thăm dò cấu trúc của các phân tử mà còn theo dõi sự ra đời và tiến hóa của các loài phản ứng hình thành thông qua bức xạ ion hóa.

“Các phản ứng hóa học do bức xạ gây ra mà chúng tôi muốn nghiên cứu là kết quả của phản ứng điện tử của mục tiêu xảy ra trong khoảng thời gian atto giây (10^-18 giây),” giải thích Linda trẻ, một nhà vật lý tại Argonne National Laboratory và Đại học Chicago, Hoa Kỳ, người đồng chủ trì nghiên cứu cùng với Robin Santra của Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) và Đại học Hamburg ở Đức và Lý Tiểu Tống của Đại học Washington, CHÚNG TA. “Cho đến nay, các nhà hóa học bức xạ chỉ có thể giải quyết các sự kiện ở khoảng thời gian pico giây (10^-12 giây), chậm hơn một triệu lần so với atto giây. Nó giống như nói 'Tôi được sinh ra và rồi tôi chết đi'. Bạn muốn biết điều gì xảy ra ở giữa. Đó là những gì chúng tôi hiện có thể làm được.”

Bơm và đầu dò

Kỹ thuật mới hoạt động như sau. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu áp một xung tia X atto giây với năng lượng photon 250 electron volt (eV) vào một mẫu – nước, trong trường hợp này, mặc dù nhóm nghiên cứu cho biết kỹ thuật này có thể hoạt động với nhiều hệ thống vật chất ngưng tụ . Xung “bơm” ban đầu này kích thích các electron từ quỹ đạo (hóa trị) bên ngoài của phân tử nước, chịu trách nhiệm liên kết phân tử và phản ứng hóa học. Các quỹ đạo này ở xa hạt nhân nguyên tử hơn và chúng có năng lượng liên kết thấp hơn nhiều so với các quỹ đạo “lõi” bên trong: khoảng 10-40 eV so với khoảng 500 eV. Điều này giúp có thể ion hóa chúng – một quá trình được gọi là ion hóa hóa trị – mà không ảnh hưởng đến phần còn lại của phân tử.

Khoảng 600 atto giây sau khi ion hóa hóa trị, các nhà nghiên cứu bắn một xung atto giây thứ hai – xung thăm dò – vào mẫu, với năng lượng khoảng 500 eV. “Thời gian trễ ngắn giữa xung bơm và xung thăm dò là một trong những nguyên nhân khiến bản thân các nguyên tử hydro không có thời gian để chuyển động và giống như bị ‘đóng băng’,” Young giải thích. “Điều này có nghĩa là chuyển động của chúng không ảnh hưởng đến kết quả đo.”

Khi xung đầu dò tương tác với các lỗ (khoảng trống) còn sót lại trong quỹ đạo hóa trị sau quá trình ion hóa hóa trị, sự phân bố năng lượng của xung sẽ thay đổi. Bằng cách phản xạ xung từ một cách tử phân tán sự phân bố năng lượng này lên một máy dò hai chiều, các nhà nghiên cứu thu được cái mà Young gọi là “ảnh chụp nhanh” hay “dấu vân tay” quang phổ của các electron chiếm các quỹ đạo hóa trị.

Tìm ra sai sót trong kết quả trước đó

Bằng cách quan sát chuyển động của các electron mang năng lượng tia X khi chúng chuyển sang trạng thái kích thích, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra những sai sót trong việc giải thích các phép đo quang phổ tia X trước đó trên nước. Những thí nghiệm trước đó đã tạo ra các tín hiệu tia X dường như xuất phát từ các hình dạng cấu trúc khác nhau, hay “mô típ” trong động lực học của các nguyên tử nước hoặc hydro, nhưng Santra cho biết nghiên cứu mới cho thấy điều này không đúng.

“Về nguyên tắc, người ta có thể nghĩ rằng độ chính xác về thời gian của loại thử nghiệm này bị giới hạn bởi thời gian tồn tại (khoảng vài femto giây, hoặc 10 giây).^-15 giây) của các trạng thái lượng tử điện tử được kích thích bằng tia X được tạo ra,” ông nói Thế giới vật lý. “Tuy nhiên, thông qua các tính toán cơ lượng tử, chúng tôi đã chỉ ra rằng tín hiệu quan sát được bị giới hạn dưới một femto giây. Đây là lý do tại sao chúng tôi có thể chỉ ra rằng các phép đo quang phổ tia X trên cấu trúc của nước lỏng trước đây đã bị hiểu sai: không giống như các phép đo trước đây, các phép đo của chúng tôi không bị ảnh hưởng bởi sự chuyển động của các nguyên tử hydro.”

Mục tiêu và thách thức thử nghiệm

Mục tiêu ban đầu của các nhà nghiên cứu là tìm hiểu nguồn gốc của các loại phản ứng được tạo ra khi tia X và các dạng bức xạ ion hóa khác tác động lên vật chất. Những loài phản ứng này hình thành ở quy mô thời gian atto giây sau quá trình ion hóa và chúng đóng vai trò quan trọng trong khoa học y sinh và hạt nhân cũng như hóa học.

Một trong những thách thức họ gặp phải là chùm tia X mà họ sử dụng – Hóa họcRIXS, Một phần của Nguồn sáng kết hợp Linac tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC ở Menlo Park, California – phải được cấu hình lại hoàn toàn để thực hiện phép đo quang phổ hấp thụ thoáng qua toàn tia X ở giây thứ hai. Kỹ thuật mới mạnh mẽ này giúp nghiên cứu các quy trình ở quy mô thời gian cực ngắn.

Các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch mở rộng nghiên cứu của họ từ nước tinh khiết đến các chất lỏng phức tạp hơn. “Ở đây, các thành phần phân tử khác nhau có thể hoạt động như bẫy các electron được giải phóng và tạo ra các loại phản ứng mới,” Young nói.

Họ báo cáo công việc hiện tại của họ trong Khoa học.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/new-attosecond-x-ray-spectroscopy-technique-freezes-atomic-nuclei-in-place/