Ett Imperial-ledda team av internationella forskare har använt en speciell röntgensond för att få nya insikter om hur elektroner beter sig på kvantnivå.

Eftersom elektroner driver många kemiska reaktioner, metoden kan leda till en djupare förståelse av fysik, kemi och biovetenskap och i slutändan skulle kunna hjälpa till att designa avancerade material och effektivare solceller.

I teamet ingår forskare från hela Europa, USA och Japan under ledning av Imperials professor Jon Marangos, Lockyer lärostol i fysik. Deras artikel publiceras i tidskriften med öppen källkod Fysisk granskning X .

Vikten av fotoexcitation

Den klassiska bilden av en atom, som lärs ut i skolor runt om i världen, föreställer sig en central kärna av protoner och neutroner packade tätt ihop, kring vilka elektroner kretsar som planeter runt solen. Och som planeter, elektronerna har olika banor, några nära centrum, några längre bort, beroende på deras energinivåer.

Även om den här bilden bara är en uppskattning, det kan vara användbart för att förstå beteendet hos atomer och molekyler, till exempel under fotoexcitation. Denna viktiga process driver fotosyntesen och är avgörande för generering av solenergi.

Här, ljus träffar en molekyl som får en elektron att röra sig upp till en bana med högre energi, lämnar efter sig ett "elektronhål" och placerar molekylen i ett exciterat tillstånd, som sedan kan överföra energi till närliggande delar av det utökade molekylära systemet, sätter igång en kedja av händelser som i slutändan driver fotosyntesen.

Professor Marangos förklarar, "Alla soldrivna processer involverar fotoexcitation och det betyder inledningsvis att en elektron rör sig, och sedan svarar resten av systemet. Men vi förstår inte helt hur exakt den upphetsade elektronen kopplar till kärnkraftsrörelsen i denna komplexa händelsekedja. "

Han tillägger:"Vi inser nu hur viktig solfotoexcitation sannolikt kommer att vara för vår framtid, och det är därför vi gör denna forskning, så att vi verkligen kan få den mest detaljerade förståelsen och hitta sätt att optimera kopplingen mellan den initiala händelsen och resultatet som är tekniskt sett mest önskvärt."

Att ge molekyler en röntgen

Ovanstående bild av elektroner som kretsande planeter är bara en uppskattning. Faktiskt, kvantfysiken säger oss att elektroner aldrig befinner sig i en exakt position vid något givet ögonblick.

Vi kan bara säga att en viss elektron är på sannolikhetsbalansen, mer sannolikt att vara belägen på vissa positioner, manifesteras som orbitaler. Vissa människor hänvisar till att det finns ett "moln" eller "utstryk" av elektroner, som fluxar och skiftar som svar på händelse som fotoexcitation.

Forskargruppen satte sig för att förstå denna elektrondynamik, på kvantnivå, och spårändringar ögonblick för ögonblick på nivån femtosekund (10 ^-15 sekunder eller en fjärdedel av en sekund).

Detta gjordes med hjälp av en speciellt konfigurerad röntgenlaser vid Linac Coherent Light Source (LCLS) i Stanford, U.S.A. Vid varje skott levererar lasern två ultrakorta röntgenpulser åtskilda med bara några femtosekunder:Den första slår av en elektron från en molekyl av isopropanol som lämnar ett elektronhål och den andra, avgörande, sonderar och mäter rörelsen av håltillståndet.

Teamet fann att dessa elektroniska håltillstånd snabbt "slappnar av" till nya metastabila tillstånd av molekylen, genom omarrangemang av positionerna för både elektroner och atomer.

I synnerhet, de observerade att elektronernas rörelse, drivs av interaktioner med andra elektroner, kan slutföras på mycket korta tidsskalor - bara några femtosekunder (10 ^-15 sekunder). De observerade också atomernas något långsammare rörelser, cirka 10 femtosekunder, leder till avslappning av elektronhålstillståndet, så att de inte längre detekterades av sonden.

Medarbetare och medförfattare till studien, Dr Taran Driver, från Stanford University, kommenterade, "Med detta arbete har vi kunnat demonstrera en ny teknik för att mäta den ultrasnabba elektronrörelsen som sker efter fotoexcitation - vilket är relevant för ett antal viktiga processer som solenergigenerering eller strålningsskador i levande system.

"Det som är särskilt spännande med den här metoden är att röntgenstrålarna låter oss se på vilken atomplats i molekylen elektronhålet sitter vid en given tidpunkt, med förmågan att spåra den när den rör sig över bara några femtosekunder eller till och med attosekunder."

En djupare kunskap om grundläggande processer

Metoden som utvecklats av teamet för att undersöka elektrondynamik kan nu användas mer allmänt för att studera större molekyler och mer komplexa material.

I sista hand, en djupare kunskap om dessa grundläggande processer skulle kunna användas för att utveckla avancerade material och styra fotokemiska reaktioner – till exempel i samband med solcellsdesign.

Professor Marangos förklarar, "Med denna metod, du kan härleda att i ett visst material, du förlorar många spänningar till någon kanal, och så frågan är hur man konstruerar det materialet så att man inte tappar excitationer genom den kanalen och får en mer effektiv överföring till det önskade resultatet. Det är en långsiktig motivation för det vi gör."