Röntgenstrålning är en form av högenergisk elektromagnetisk strålning med våglängder kortare än ultraviolett ljus. När röntgenstrålar interagerar med materia kan de slå loss elektroner från sina atomer, en process som kallas jonisering. Dynamiken i denna process sker på otroligt korta tidsskalor, mätt i femtosekunder (en kvadriljondels sekund).
För att fånga denna ultrasnabba dynamik använde forskare en teknik som kallas tidsupplöst fotoemissionsspektroskopi. Denna teknik kombinerar en röntgenlaser med en ultrakort laserpuls för att excitera elektroner och undersöka deras svar samtidigt. Röntgenlasern ger en högenergipuls av röntgenstrålar för att inducera jonisering, medan den ultrakorta laserpulsen fungerar som ett stroboskopljus, vilket gör att forskare kan ta ögonblicksbilder av elektrondynamiken vid olika tidpunkter.
Med hjälp av detta tillvägagångssätt lyckades teamet ledda av forskare från Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg, Tyskland, fånga joniseringsdynamiken hos kryptonatomer i realtid. Experimenten avslöjade en detaljerad bild av hur elektronerna flyr från sina moderatomer, vilket gav värdefull information om de underliggande mekanismerna och tidsskalorna som är involverade.
Resultaten visade att joniseringsprocessen sker på ett stegvis sätt, där elektronerna initialt ockuperar mellantillstånd innan de övergår till högre energinivåer eller helt flyr från atomen. Tidpunkten för dessa steg skulle kunna lösas med oöverträffad precision, vilket ger en djupare förståelse för de grundläggande interaktionerna på atomnivå.
Studien avslöjade också elektronkorrelationens roll i joniseringsprocessen. Elektronkorrelation hänvisar till interaktioner och korrelationer mellan olika elektroner inom en atom. Genom att analysera tidsfördröjningarna mellan joniseringsstegen fann forskarna bevis på starka korrelationseffekter som påverkar dynamiken i elektronemission.
Forskningen ger kritiska insikter om de grundläggande interaktionerna mellan röntgenstrålar och materia, vilket öppnar nya vägar för att utforska och kontrollera dessa interaktioner. Det kan få konsekvenser för olika områden, inklusive röntgenavbildningstekniker, såsom röntgenfria elektronlasrar, där joniseringens ultrasnabba dynamik spelar en avgörande roll i bildbildningen.
Att förstå denna dynamik kan också bidra till utvecklingen av nya material med skräddarsydda elektroniska egenskaper och förbättrad prestanda för applikationer inom elektronik, energilagring och katalys. Genom att utnyttja kraften i tidsupplöst fotoemissionsspektroskopi kan forskare reda ut hemligheterna bakom ultrasnabb elektrondynamik, vilket banar väg för framsteg inom olika vetenskapliga och tekniska gränser.
