Så gott som alla vitala kemiska processer sker i vattenlösningar. I sådana processer spelar en avgörande roll av elektroner som utbyts mellan olika atomer och molekyler och därmed till exempel skapar eller bryter kemiska bindningar. Detaljerna om hur det händer är dock svåra att undersöka eftersom dessa elektroner rör sig mycket snabbt.

Forskare vid ETH Zürich under ledning av Hans Jakob Wörner, professor i fysikalisk kemi, i samarbete med kollegor vid Lawrence Berkeley National Laboratory (U.S.) har nu lyckats studera dynamiken hos elektroner i kluster gjorda av vattenmolekyler med en tidsupplösning på bara ett fåtal attosekunder. Deras resultat publicerades nyligen som en förhandspublikation i den vetenskapliga tidskriften Nature .

Tidsfördröjning i jonisering

I sina experiment studerade forskarna hur vattenkluster joniseras av en kort laserpuls i extrem ultraviolett ljus. För det ändamålet skapas först kluster genom att pressa vattenånga genom ett litet munstycke under högt tryck. Energin från laserpulsens extrema ultravioletta fotoner gör att en elektron i klustret frigörs. Detta leder till en ledig plats även känd som ett "hål."

Frigörandet av elektronen sker dock inte direkt efter pulsens ankomst, utan snarare efter en kort fördröjning. Den fördröjningen beror på hur elektronhålet är fördelat över molekylerna i klustret. "Hittills har fördelningen av hålet bara kunnat beräknas teoretiskt, eftersom fördröjningen är alldeles för kort för att kunna mätas med traditionella metoder", förklarar Xiaochun Gong, postdoktorn som var ansvarig för projektet.

Attosekundupplösning med två laserpulser

Fördröjningen varar faktiskt bara några attosekunder, eller några miljarddels miljarddels sekund. För att förstå hur kort en attosekund är kan man göra följande jämförelse:antalet attosekunder i en enda sekund är ungefär antalet sekunder på 32 miljarder år.

För att kunna mäta de extremt korta perioderna på några attosekunder delade Wörner och hans medarbetare upp en mycket intensiv infraröd laserpuls i två delar, varav den ena omvandlades till extremt ultraviolett ljus genom frekvensmultiplikation i en ädelgas. De överlappade de två pulserna och riktade båda mot vattenklustren.

Den infraröda pulsen modifierade energin hos elektronerna som utstöts av den ultravioletta laserpulsen. Den oscillerande fasen av den infraröda laserpulsen kunde ställas in mycket exakt med hjälp av en interferometer. Antalet joniseringshändelser, uppmätt med hjälp av detektorer, varierade beroende på den oscillerande fasen. Från dessa mätningar kunde forskarna i sin tur direkt läsa av joniseringsfördröjningen.

"Eftersom vi kunde bestämma storleken på det ursprungliga vattenklustret för varje joniseringshändelse med hjälp av en masspektrometer, kunde vi visa att fördröjningen beror på storleken på klustret", säger Saijoscha Heck, Ph.D. elev i Wörners grupp. Upp till en klusterstorlek på fyra vattenmolekyler ökar fördröjningen stadigt till cirka hundra attosekunder. För fem eller fler vattenmolekyler förblir den dock praktiskt taget konstant. Detta är relaterat till den höga graden av symmetri som små kluster uppvisar, vilket gör att elektronhålet kan spridas ut över hela klustret enligt kvantmekanikens regler. Däremot är lagerkluster ganska asymmetriska och oordnade och därför lokaliseras hålet på ett fåtal vattenmolekyler.

Tillämpningar även inom halvledarteknik

"Med dessa attosekundsmätningar har vi öppnat helt nya forskningsmöjligheter", säger Wörner. Han planerar redan uppföljande experiment där han vill lösa dynamiken i elektronhålet både spatialt och temporärt med hjälp av ytterligare laserpulser. Wörner hoppas bland annat att detta ska leda till en bättre förståelse för hur strålskador utvecklas i biologisk vävnad, givet att jonisering av vatten spelar en dominerande roll i den processen.

Men Wörner ser också olika möjliga tillämpningar bortom forskning om elektrondynamik i vatten. För att till exempel realisera snabbare elektroniska komponenter är en djupgående förståelse för den rumsliga förlängningen av elektron- och håltillstånd och deras utveckling i tiden oumbärlig. Här kan den nya teknik som utvecklats av ETH-forskarna vara oerhört användbar. + Utforska vidare

Elektronrörelser i vätska mätt i superslow motion