I ett experiment som liknar stop-motion-fotografering har forskare isolerat den energiska rörelsen hos en elektron samtidigt som de "fryser" rörelsen hos den mycket större atom den kretsar kring i ett prov av flytande vatten.
Fynden, rapporterade i tidskriften Science , ger ett nytt fönster in i den elektroniska strukturen hos molekyler i vätskefasen på en tidsskala som tidigare var ouppnåelig med röntgenstrålar. Den nya tekniken avslöjar det omedelbara elektroniska svaret när ett mål träffas med en röntgen, ett viktigt steg för att förstå effekterna av strålningsexponering på föremål och människor.
"De kemiska reaktionerna som induceras av strålning som vi vill studera är resultatet av det elektroniska svaret från målet som sker på attosekundens tidsskala", säger Linda Young, senior författare av forskningen och Distinguished Fellow vid Argonne National Laboratory.
"Tills nu har strålningskemister bara kunnat lösa händelser på pikosekunders tidsskala, en miljon gånger långsammare än en attosekund. Det är ungefär som att säga "Jag föddes och sedan dog jag." Du skulle vilja veta vad som händer däremellan. Det är vad vi nu kan göra."
En multiinstitutionell grupp av forskare från flera nationella laboratorier och universitet i Department of Energy i USA och Tyskland kombinerade experiment och teorier för att i realtid avslöja konsekvenserna när joniserande strålning från en röntgenkälla träffar materia.
Att arbeta på tidsskalorna där åtgärden sker kommer att tillåta forskargruppen att förstå komplex strålningsinducerad kemi djupare. Dessa forskare gick till en början tillsammans för att utveckla de verktyg som behövs för att förstå effekten av långvarig exponering för joniserande strålning på kemikalierna som finns i kärnavfall.
"Medlemmar i vårt nätverk för tidiga karriärer deltog i experimentet och gick sedan med i våra fullständiga experimentella och teoretiska team för att analysera och förstå data", säger Carolyn Pearce, IDREAM EFRC-direktör och en PNNL-kemist. "Vi hade inte kunnat göra det här utan IDREAM-partnerskapen."
Subatomära partiklar rör sig så snabbt att för att fånga deras handlingar krävs en sond som kan mäta tid i attosekunder, en tidsram som är så liten att det finns fler attosekunder på en sekund än det har varit sekunder i universums historia.
Den aktuella undersökningen bygger på den nya vetenskapen om attosekundsfysik, erkänd med 2023 års Nobelpris i fysik. Attosecond röntgenpulser är endast tillgängliga i en handfull specialiserade anläggningar över hela världen. Det här forskarteamet utförde sitt experimentella arbete vid Linac Coherent Light Source (LCLS), som ligger vid SLAC National Accelerator Laboratory, i Menlo Park, Kalifornien, där det lokala laget var pionjärer i utvecklingen av attosecond-röntgen-frielektronlasrar.
"Attosecond-tidsupplösta experiment är en av flaggskeppsutvecklingarna inom FoU vid Linac Coherent Light Source", säger Ago Marinelli från SLAC National Accelerator Laboratory, som tillsammans med James Cryan ledde utvecklingen av det synkroniserade paret röntgenattosecond pump-/sondpulser som detta experiment använde. "Det är spännande att se den här utvecklingen tillämpas på nya typer av experiment och ta attosecond-vetenskapen in i nya riktningar."
Tekniken som utvecklats i denna studie, all röntgen-attosekunds transient absorptionsspektroskopi i vätskor, gjorde det möjligt för dem att "titta på" elektroner som drivs av röntgenstrålar när de rör sig till ett exciterat tillstånd, allt innan den skrymmande atomkärnan hinner röra sig. De valde det flytande vattnet som sitt testfall för ett experiment.
"Vi har nu ett verktyg där du i princip kan följa elektronernas rörelse och se nyjoniserade molekyler när de bildas i realtid", säger Young, som också är professor vid institutionen för fysik och James Franck. Institutet vid University of Chicago.
Dessa nyligen rapporterade fynd löser en långvarig vetenskaplig debatt om huruvida röntgensignaler som setts i tidigare experiment är resultatet av olika strukturella former, eller "motiv" av vatten- eller väteatomers dynamik. Dessa experiment visar definitivt att dessa signaler inte är bevis för två strukturella motiv i omgivande flytande vatten.
"I grund och botten, vad folk såg i tidigare experiment var oskärpan som orsakades av rörliga väteatomer," sa Young. "Vi kunde eliminera den rörelsen genom att göra all vår inspelning innan atomerna hann röra sig."
Från enkla till komplexa reaktioner
Forskarna föreställer sig den aktuella studien som början på en helt ny riktning för attosecond science.
För att göra upptäckten samarbetade PNNL experimentella kemister med fysiker vid Argonne och University of Chicago, röntgenspektroskopispecialister och acceleratorfysiker vid SLAC, teoretiska kemister vid University of Washington och attosecond vetenskapsteoretiker från Hamburg Center for Ultrafast Imaging och Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), i Hamburg, Tyskland.
Under den globala pandemin, 2021 och in i 2022, använde PNNL-teamet tekniker utvecklade vid SLAC för att spraya ett ultratunt ark rent vatten över röntgenpumpens pulsbana.
"Vi behövde ett fint, platt, tunt vattenskikt där vi kunde fokusera röntgenstrålningen", säger Emily Nienhuis, en kemist i tidig karriär vid PNNL, som startade projektet som en postdoktorand forskningsassistent. "Denna förmåga utvecklades vid LCLS." Vid PNNL visade Nienhuis att denna teknik också kan användas för att studera de specifika koncentrerade lösningarna som är centrala för IDREAM EFRC och kommer att undersökas i nästa steg av forskningen.
När röntgendata hade samlats in, tillämpade den teoretiska kemisten Xiaosong Li och doktorand Lixin Lu från University of Washington sina kunskaper om att tolka röntgensignalerna för att reproducera de signaler som observerades vid SLAC. CFEL-teamet, ledd av teoretikern Robin Santra, modellerade det flytande vattnets svar på attosekundsröntgenstrålar för att verifiera att den observerade signalen verkligen var begränsad till attosekundens tidsskala.
"Med Hyak-superdatorn vid University of Washington utvecklade vi en banbrytande beräkningskemiteknik som möjliggjorde detaljerad karakterisering av de transienta högenergikvanttillstånden i vatten", säger Li, Larry R. Dalton Endowed Chair in Chemistry vid University of Washington och en laboratoriestipendiat vid PNNL.
"Detta metodologiska genombrott gav ett avgörande framsteg i förståelsen på kvantnivå av ultrasnabb kemisk omvandling, med exceptionell noggrannhet och detaljer på atomnivå."
Chefsutredare Young startade studien och övervakade dess genomförande, som leddes på plats av första författaren och postdoc Shuai Li. Fysikern Gilles Doumy, även han från Argonne, och doktorand Kai Li från University of Chicago var en del av teamet som genomförde experimenten och analyserade data. Argonne's Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science-användaranläggning, hjälpte till att karakterisera vattenskivans jetmål.
Tillsammans fick forskargruppen en titt på elektronernas rörelse i realtid i flytande vatten medan resten av världen stod stilla.
"Den metod som vi utvecklade tillåter studiet av ursprunget och utvecklingen av reaktiva arter som produceras av strålningsinducerade processer, som påträffas vid rymdresor, cancerbehandlingar, kärnreaktorer och äldre avfall", säger Young.
Mer information: Shuai Li et al, Attosecond-pump attosecond-probe röntgenspektroskopi av flytande vatten, Science (2024). DOI:10.1126/science.adn6059. www.science.org/doi/10.1126/science.adn6059
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
