SLAC vadovaujama komanda išrado metodą, vadinamą XLEAP, kuris generuoja galingus mažos energijos rentgeno lazerio impulsus, kurie yra tik 280 atosekundžių arba milijardosios milijardosios sekundės dalies ilgio ir kurie pirmą kartą gali atskleisti greičiausią. elektronų judesiai, skatinantys chemiją. Šioje iliustracijoje parodyta, kaip mokslininkai naudoja magnetų seriją, kad elektronų pluoštą (mėlyna forma kairėje) SLAC Linac koherentiniame šviesos šaltinyje paverstų siauru srovės smaigaliu (mėlyna forma dešinėje), kuris vėliau sukuria labai intensyvią atosekundinę rentgeno spinduliuotę. blykstė (geltona). Autoriai: Greg Stewart / SLAC nacionalinė greitintuvo laboratorija
Mažiau nei milijonosios milijardosios sekundės dalies ilgio atosekundės rentgeno impulsai leidžia tyrėjams pažvelgti giliai į molekulių vidų ir sekti elektronus, kai jie sukasi ir galiausiai inicijuoja chemines reakcijas.
Energetikos departamento SLAC nacionalinės greitintuvo laboratorijos mokslininkai 2018 m. sukūrė metodą, leidžiantį generuoti rentgeno spindulių lazerio pliūpsnius, trunkančius šimtus atosekundžių (arba milijardines milijardines sekundės dalis). kartos (XLEAP), leidžia mokslininkams ištirti, kaip elektronai, lenktyniaujantys molekulėse, inicijuoja pagrindinius procesus biologijos, chemijos, medžiagų mokslo ir kitose srityse.
„Elektronų judėjimas yra svarbus procesas, kurio metu gamta gali perkelti energiją“, – sako SLAC mokslininkas Jamesas Cryanas. „Krūvis sukuriamas vienoje molekulės dalyje ir persikelia į kitą molekulės dalį, galbūt sukeldamas cheminę reakciją. Tai yra svarbi galvosūkio dalis, kai pradedate galvoti apie fotovoltinius įrenginius, skirtus dirbtinei fotosintezei, arba krūvio perdavimą molekulės viduje.
Dabar SLAC Linac koherentinės šviesos šaltinio (LCLS) tyrėjai barškino molekulėje esančius elektronus, naudodami atosekundinius impulsus, kad sukurtų sužadintą kvantinę būseną ir išmatuotų, kaip elektronai elgiasi šioje būsenoje iki šiol nematytoje detalėje. Išvados neseniai buvo paskelbtos žurnale Mokslas.
„XLEAP leidžia mums pažvelgti giliai į molekules ir sekti elektronų judėjimą natūraliu laiko skale“, – sako SLAC mokslininkas Agostino Marinelli, vadovaujantis XLEAP projektui. „Tai galėtų padėti suprasti daugelį svarbių kvantinės mechaninės reiškinių, kur elektronai paprastai atlieka pagrindinį vaidmenį.
Elektroniniai pasiuntiniai
Atosekundiniai impulsai yra trumpiausi impulsai, generuojami naudojant rentgeno spindulių laisvųjų elektronų lazerius, tokius kaip LCLS. Unikalus XLEAP projekto pasiekimas buvo sukurti atosekundinius impulsus tinkamu bangos ilgiu, kad būtų galima pažvelgti į svarbiausius mažus atomus, tokius kaip anglis, azotas ir deguonis. Kaip ir fotoaparatai su itin dideliu užrakto greičiu, XLEAP impulsai gali užfiksuoti elektronų judesius ir kitus judesius itin greitai, ko nebuvo galima išspręsti anksčiau.
Šio eksperimento metu tyrėjai rentgeno impulsu pataikė į azoto oksido molekules, išmušdami elektronus iš įprastos padėties ir į labai sužadintą elektronų debesį. Jie sukūrė itin greitą laikrodį su žiediniu poliarizuotu lazeriu, kad išmatuotų, kas nutiko toliau. Elektronų debesis sunyko išspjaudamas greitus elektronus, kuriuos lazerio laukas suko aplinkui prieš nusileisdamas ant detektoriaus. Padėtis, kurioje elektronai nusileido ant detektoriaus, padėjo tyrėjams išsiaiškinti, kaip kinta elektronų debesis. Jie matė, kaip debesis juda unikaliu kvantiniu būdu tik per kelias milijonines milijardines sekundės dalis. Autoriai: Greg Stewart / SLAC nacionalinė greitintuvo laboratorija
Kai rentgeno spindulių impulsai sąveikauja su medžiaga, kai kuriuos tvirčiausiai surištus mėginio branduolius elektronus jie gali pakelti į labai energingas būsenas, žinomas kaip šerdies sužadinimo būsenos. Kadangi jos yra tokios energingos, šerdies sužadintos būsenos yra labai nestabilios ir paprastai labai greitai nyks, išleisdamos energiją greito elektrono, žinomo kaip Augerio-Meitnerio elektronas, pavidalu. Šis reiškinys istoriškai buvo žinomas kaip Augerio skilimas, tačiau neseniai mokslininkai nusprendė įtraukti Lise Meitner, kuri pirmą kartą pastebėjo šį reiškinį, vardą, pripažindami jos platų indėlį į šiuolaikinę atominę fiziką.
Savo tyrime tyrėjai tiksliai sureguliavo LCLS rentgeno spindulių bangos ilgį, kad sukurtų kvantinę materijos būseną, vadinamą koherentine superpozicija, materijos banginio pobūdžio pasireiškimu. Panašiai kaip Schrödingerio katė, kuri tuo pačiu metu atsidūrė ir mirusi, ir gyva, sužadinti elektronai tuo pačiu metu buvo skirtingose branduolio sužadinimo būsenose. Tai reiškė, kad jie tuo pačiu metu skriejo aplink molekulę skirtingomis trajektorijomis.
Siekdami stebėti, kaip laikui bėgant vystėsi ši nuosekli branduolių sužadintų būsenų superpozicija, mokslininkai sukūrė itin greitą laikrodį, žinomą kaip „attoclock“, kuriame greitai besisukantis elektrinis laukas iš apskrito poliarizuoto lazerio impulso veikia kaip laikrodžio rodyklė. Auger-Meitnerio elektronai, išsiskyrę šerdies sužadinimo būsenų skilimo metu, prieš nusileisdami ant detektoriaus, buvo sukami apskritimo poliarizuoto lazerio impulso. Padėtis, kurioje elektronas nusileido ant detektoriaus, tyrėjams nurodė laiką, kada jis buvo išmestas iš molekulės. Išmatavę daugelio Auger-Meitnerio elektronų išstūmimo laiką, mokslininkai sugebėjo susidaryti vaizdą, kaip kinta nuosekli superpozicijos būsena, kai laiko skiriamoji geba buvo vos keli šimtai atosekundžių.
„Tai pirmas kartas, kai galime stebėti šį konkretų reiškinį ir tiesiogiai išmatuoti elektronų emisijos greitį“, – sako SLAC mokslininkas ir pagrindinis autorius Siqi Li. „Mūsų technika žengia žingsnį daugiau nei tik matome, kaip vyksta procesas, ir leidžia mums stebėti sudėtingą elektronų elgesį, vykstantį molekulėje per kelias milijonines milijardines sekundės dalis. Tai suteikia mums tikrai puikų būdą pažvelgti į molekulės vidų ir pamatyti, kas vyksta labai greitai.
Pasaulyje pirmaujantis pajėgumas
Norėdami tęsti šį eksperimentą, mokslininkai dirba su naujais sudėtingesnio kvantinio elgesio matavimais.
„Šiame eksperimente mes žiūrime į labai paprasto modelio elektroninį elgesį, kurį beveik galite išspręsti pieštuku ir popieriumi“, – sako SLAC mokslininkas ir bendras autorius Taranas Driveris. „Dabar, kai parodėme, kad galime atlikti šiuos itin greitus matavimus, kitas žingsnis yra pažvelgti į sudėtingesnius reiškinius, kurių teorijos dar negali tiksliai apibūdinti.
Galimybė atlikti matavimus vis greitesniu ir greitesniu laiku yra jaudinanti, sako Cryanas, nes pirmieji dalykai, kurie įvyksta cheminėje reakcijoje, gali padėti suprasti, kas atsitiks vėliau.
„Šis tyrimas yra pirmas kartą išspręstas šių ultratrumpų rentgeno impulsų pritaikymas, priartinantis mus vienu žingsniu prie tikrai nuostabių dalykų, pavyzdžiui, stebėti kvantinių reiškinių raidą realiuoju laiku“, – sako jis. „Jis žada tapti pasaulyje pirmaujančiu pajėgumu, kuriuo daugelį žmonių domins ateinančius metus.
LCLS yra DOE Office of Science naudotojo priemonė. Šis tyrimas yra SLAC, Stanfordo universiteto mokslininkų bendradarbiavimo dalis.[{” attribute=””>Imperial College London and other institutions. It was supported by the Office of Science.
Reference: “Attosecond coherent electron motion in Auger-Meitner decay” by Siqi Li, Taran Driver, Philipp Rosenberger, Elio G. Champenois, Joseph Duris, Andre Al-Haddad, Vitali Averbukh, Jonathan C. T. Barnard, Nora Berrah, Christoph Bostedt, Philip H. Bucksbaum, Ryan N. Coffee, Louis F. DiMauro, Li Fang, Douglas Garratt, Averell Gatton, Zhaoheng Guo, Gregor Hartmann, Daniel Haxton, Wolfram Helml, Zhirong Huang, Aaron C. LaForge, Andrei Kamalov, Jonas Knurr, Ming-Fu Lin, Alberto A. Lutman, James P. MacArthur, Jon P. Marangos, Megan Nantel, Adi Natan, Razib Obaid, Jordan T. O’Neal, Niranjan H. Shivaram, Aviad Schori, Peter Walter, Anna Li Wang, Thomas J. A. Wolf, Zhen Zhang, Matthias F. Kling, Agostino Marinelli and James P. Cryan, 6 January 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abj2096