原子定格:首次捕获的水中电子运动

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科学家们使用来自X射线自由电子激光器的同步阿秒X射线脉冲对(此处为粉红色和绿色)来研究阿秒时间尺度上液态水中电子(金)的能量响应,而氢(白色)和氧(红色)原子在时间上被“冻结”。图片来源:Nathan Johnson |太平洋西北国家实验室

科学家首次报告了电子在液态水中实时移动的观察;这些发现开辟了实验物理学的一个全新领域。

在一项类似于定格摄影的实验中,科学家们分离出电子的能量运动,同时“冻结”它在液态水样本中绕行的更大原子的运动。

2月15日发表在《科学》杂志上的这一发现为液相中分子的电子结构提供了一个新的窗口,其时间尺度以前是X射线无法实现的。这项新技术揭示了当目标被X射线击中时的即时电子反应,这是了解辐射暴露对物体和人的影响的重要一步。

“我们想要研究的辐射引起的化学反应是在阿秒时间尺度上发生的目标电子响应的结果,”该研究的资深作者,阿贡国家实验室杰出研究员Linda Young说。“到目前为止,辐射化学家只能在皮秒时间尺度上解析事件,比阿秒慢一百万倍。这有点像说’我出生了,然后我死了’。你想知道这两者之间会发生什么。这就是我们现在能够做到的。

“我们开发的方法允许研究……由辐射诱导过程产生的反应性物质,例如在太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的物质。

来自美国和德国能源部、国家实验室和大学的多机构科学家小组将实验和理论相结合,实时揭示了来自X射线源的电离辐射撞击物质时的后果。

研究作用发生的时间尺度将使研究小组能够更深入地了解复杂的辐射诱导化学。事实上,这些研究人员最初聚集在一起开发所需的工具,以了解长时间暴露于电离辐射对核废料中发现的化学物质的影响。该研究得到了放射性环境和材料界面动力学(IDREAM)能源前沿研究中心的支持,该中心由能源部赞助,总部设在太平洋西北国家实验室(PNNL)。

“我们早期职业网络的成员参与了实验,然后加入了我们完整的实验和理论团队来分析和理解数据,”IDREAM EFRC主任兼PNNL化学家Carolyn Pearce说。“如果没有 IDREAM 的合作伙伴关系,我们不可能做到这一点。”

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水样照片:为了记录被X射线辐射激发的电子的运动,科学家们制造了一块薄的、大约1厘米宽的液态水作为X射线束的目标。图片来源:Emily Nienhuis |太平洋西北国家实验室

从诺贝尔奖到实地

亚原子粒子的移动速度如此之快,以至于捕捉它们的行为需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器,这个时间范围如此之小,以至于一秒钟内的阿秒数比宇宙历史上的秒数还要多。

目前的研究建立在获得 2023 年诺贝尔物理学奖的阿秒物理学新科学之上。阿秒 X 射线脉冲仅在全球少数专业设施中可用。该研究团队在位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)进行了实验工作,当地团队率先开发了阿秒X射线自由电子激光器。

“阿秒时间分辨实验是直线加速器相干光源的旗舰研发发展之一,”SLAC国家加速器实验室的Ago Marinelli说,他与James Cryan一起领导了该实验使用的同步X射线阿秒泵浦/探针脉冲对的开发。“看到这些发展被应用于新型实验并将阿秒科学带入新的方向,真是令人兴奋。

在这项研究中开发的技术,即液体中的所有X射线阿秒瞬态吸收光谱,允许它们在X射线进入激发态时“观察”电子,所有这些都是在较笨重的原子核有时间移动之前。他们选择了液态水作为实验的测试案例。

“我们现在有一种工具,原则上,你可以跟踪电子的运动,并实时看到新电离分子的形成,”Young说,他也是芝加哥大学物理系和詹姆斯弗兰克研究所的教授。

这些新报道的发现解决了一个长期存在的科学争论,即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动力学的不同结构形状或“基序”的结果。这些实验最终证明,这些信号并不是环境液态水中两个结构基序的证据。

“基本上,人们在以前的实验中看到的是移动氢原子引起的模糊,”Young说。“我们能够在原子有时间移动之前完成所有记录来消除这种运动。

从简单反应到复杂反应

研究人员将目前的研究视为阿秒科学全新方向的开始。

为了做出这一发现,PNNL实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家,SLAC的X射线光谱学专家和加速器物理学家,华盛顿大学的理论化学家以及汉堡超快成像中心和自由电子激光科学中心(CFEL)的阿秒科学理论家合作,德国电子同步加速器(DESY),汉堡, 德国。

在 2021 年和 2022 年的全球大流行期间,PNNL 团队使用 SLAC 开发的技术在 X 射线泵脉冲路径上喷洒超薄纯水片。

“我们需要一块漂亮、平坦、薄薄的水,在那里我们可以聚焦X射线,”PNNL的早期职业化学家Emily Nienhuis说,他以博士后研究助理的身份开始了这个项目。“这种能力是在LCLS开发的。在PNNL,Nienhuis展示了该技术还可用于研究IDREAM EFRC的核心特定浓缩溶液,并将在下一阶段的研究进行研究。

从实验到理论

收集X射线数据后,华盛顿大学的理论化学家Xiaosong Li和研究生Lixin Lu运用他们解释X射线信号的知识来重现SLAC观察到的信号。由理论家Robin Santra领导的CFEL团队对液态水对阿秒X射线的响应进行了建模,以验证观察到的信号确实局限于阿秒时间尺度。

“使用华盛顿大学的Hyak超级计算机,我们开发了一种尖端的计算化学技术,可以详细表征水中的瞬态高能量子态,”华盛顿大学Larry R. Dalton化学讲座教授Li说。“这一方法论上的突破在量子级对超快化学转化的理解方面取得了关键性的进展,具有卓越的准确性和原子级的细节。

首席研究员Young发起了这项研究并监督了其执行,该研究由第一作者和博士后Shuai Li在现场领导,同样来自阿贡的物理学家Gilles Doumy和芝加哥大学的研究生Kai Li是进行实验和分析数据的团队的一部分。阿贡的纳米材料中心是美国能源部科学办公室的一个用户设施,帮助表征了水片射流目标。

研究小组一起窥视了液态水中电子的实时运动,而世界其他地方则静止不动。

“我们开发的方法允许研究辐射诱导过程产生的反应性物质的起源和进化,例如在太空旅行,癌症治疗,核反应堆和遗留废物中遇到的,”Young说。

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