Pergerakan Elektron dalam Air Ditangkap untuk Pertama Kalinya

Para ilmuwan melaporkan pengamatan pertama pada elektron yang bergerak secara real-time dalam air cair; Temuan ini membuka bidang baru dalam fisika eksperimental.

Dalam eksperimen yang mirip dengan fotografi stop-motion, para ilmuwan telah mengisolasi pergerakan energik sebuah elektron sambil “membekukan” pergerakan elektron yang jauh lebih besar. atom ia mengorbit dalam sampel air cair.

Temuan ini dilaporkan pada 15 Februari di jurnal tersebut Sains, memberikan jendela baru ke dalam struktur elektronik molekul dalam fase cair pada skala waktu yang sebelumnya tidak dapat dicapai dengan sinar-X. Teknik baru ini mengungkap respons elektronik langsung ketika target terkena sinar-X, sebuah langkah penting dalam memahami efek paparan radiasi pada objek dan manusia.

“Reaksi kimia akibat radiasi yang ingin kami pelajari adalah hasil respons elektronik dari target yang terjadi pada skala waktu attodetik,” kata Linda Young, penulis senior studi tersebut dan Rekan Terhormat di Argonne National Laboratory. “Sampai saat ini ahli kimia radiasi hanya dapat menyelesaikan peristiwa dalam skala waktu pikodetik, satu juta kali lebih lambat dari satu attodetik. Ini seperti mengatakan 'Saya lahir dan kemudian saya mati.' Anda ingin tahu apa yang terjadi di antara keduanya. Itulah yang bisa kami lakukan sekarang.”

“Metodologi yang kami kembangkan memungkinkan penelitian… menjadi reaktif jenis dihasilkan oleh proses yang disebabkan oleh radiasi, seperti yang terjadi dalam perjalanan luar angkasa, pengobatan kanker, reaktor nuklir, dan limbah warisan.” — Linda Young, Argonne Distinguished Fellow dan profesor di Departemen Fisika dan James Franck Institute di UChicago

Sekelompok ilmuwan multi-institusi dari beberapa laboratorium nasional dan universitas Departemen Energi di AS dan Jerman menggabungkan eksperimen dan teori untuk mengungkap secara real-time konsekuensi ketika radiasi pengion dari sumber sinar-X mengenai materi.

Bekerja pada skala waktu terjadinya tindakan ini akan memungkinkan tim peneliti untuk memahami kimia kompleks yang disebabkan oleh radiasi secara lebih mendalam. Memang benar, para peneliti ini awalnya berkumpul untuk mengembangkan alat yang diperlukan untuk memahami dampak paparan radiasi pengion dalam jangka panjang terhadap bahan kimia yang ditemukan dalam limbah nuklir. Penelitian ini didukung oleh Energy Frontier Research Center Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials (IDREAM) yang disponsori oleh Departemen Energi dan berkantor pusat di Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

“Anggota jaringan awal karir kami berpartisipasi dalam eksperimen, dan kemudian bergabung dengan tim eksperimental dan teoretis kami untuk menganalisis dan memahami data,” kata Carolyn Pearce, direktur EFRC IDREAM dan ahli kimia PNNL. “Kami tidak dapat melakukan ini tanpa kemitraan IDREAM.”

Dari Hadiah Nobel hingga bidangnya

Partikel-partikel subatom bergerak sangat cepat sehingga untuk menangkap aksinya diperlukan perangkat yang mampu mengukur waktu dalam attodetik, sebuah kerangka waktu yang sangat kecil sehingga terdapat lebih banyak attodetik dalam satu detik daripada jumlah detik dalam sejarah alam semesta.

Penyelidikan saat ini didasarkan pada ilmu baru fisika attodetik, yang diakui dengan Hadiah Nobel Fisika tahun 2023. Pulsa sinar-X Attosecond hanya tersedia di beberapa fasilitas khusus di seluruh dunia. Tim peneliti ini melakukan pekerjaan eksperimental mereka di Linac Coherent Light Source (LCLS), yang berlokasi di SLAC National Accelerator Laboratory, di Menlo Park, California, di mana tim lokal memelopori pengembangan laser elektron bebas sinar-X attodetik.

“Eksperimen penyelesaian waktu Attosecond adalah salah satu penelitian unggulan dan pengembangan pengembangan di Linac Coherent Light Source,” kata Ago Marinelli dari SLAC National Accelerator Laboratory, yang, bersama dengan James Cryan, memimpin pengembangan sinar-X attosecond yang disinkronkan pasangan. pulsa pompa/probe yang digunakan dalam percobaan ini. “Sangat menarik melihat perkembangan ini diterapkan pada eksperimen jenis baru dan membawa ilmu pengetahuan ke arah yang baru.”

Anggota tim di ruang kontrol di Linac Coherent Light Source, SLAC National Accelerator Laboratory, pada bulan Juni 2022. Dari kiri ke kanan: David J. Hoffman dari SLAC, Kai Li dari Argonne National Laboratory (ANL) dan University of Chicago, Direktur IDREAM Carolyn Pearce dari Pacific Northwest National Laboratory, Ming-Fu Lin dari SLAC, dan Shuai Li dari ANL. Kredit: Carolyn Pearce | Laboratorium Nasional Pacific Northwest

Teknik yang dikembangkan dalam penelitian ini, semua spektroskopi serapan transien attodetik sinar-X dalam cairan, memungkinkan mereka untuk “mengawasi” elektron yang diberi energi oleh sinar-X saat mereka berpindah ke keadaan tereksitasi, semuanya sebelum inti atom yang lebih besar mempunyai waktu untuk bergerak. . Mereka memilih air cair sebagai uji coba percobaan.

“Kami sekarang memiliki alat yang, pada prinsipnya, Anda dapat mengikuti pergerakan elektron dan melihat pembentukan molekul baru yang terionisasi secara real-time,” kata Young yang juga profesor di Departemen Fisika dan James Franck. Institut di Universitas Chicago.

Temuan baru yang dilaporkan ini menyelesaikan perdebatan ilmiah yang sudah berlangsung lama tentang apakah sinyal sinar-X yang terlihat pada percobaan sebelumnya merupakan hasil dari bentuk struktural atau “motif” yang berbeda dari dinamika atom air atau hidrogen. Eksperimen ini menunjukkan secara meyakinkan bahwa sinyal-sinyal ini bukanlah bukti adanya dua motif struktural dalam air cair di sekitarnya.

“Pada dasarnya, apa yang dilihat orang dalam percobaan sebelumnya adalah keburaman yang disebabkan oleh pergerakan atom hidrogen,” kata Young. “Kami mampu menghilangkan gerakan tersebut dengan melakukan semua pencatatan sebelum atom sempat bergerak.”

Dari reaksi sederhana hingga reaksi kompleks

Para peneliti membayangkan penelitian ini sebagai awal dari arah baru bagi ilmu pengetahuan attosecond.

Untuk membuat penemuan ini, ahli kimia eksperimental PNNL berkolaborasi dengan fisikawan di Argonne dan Universitas Chicago, spesialis spektroskopi sinar-X dan fisikawan akselerator di SLAC, dan ahli kimia teoretis di SLAC. Universitas Washingtondan ahli teori sains attosecond dari Hamburg Ultrafast Imaging Center dan Center for Free Electron Laser Science (CFEL), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), di Hamburg, Jerman.

Selama pandemi global, pada tahun 2021 dan memasuki tahun 2022, tim PNNL menggunakan teknik yang dikembangkan di SLAC untuk menyemprotkan lapisan air murni yang sangat tipis ke seluruh jalur denyut pompa sinar-X.

“Kita membutuhkan lapisan air yang bagus, rata, dan tipis sehingga kita dapat memfokuskan sinar-X,” kata Emily Nienhuis, ahli kimia karir awal di PNNL, yang memulai proyek ini sebagai peneliti pascadoktoral. “Kemampuan ini dikembangkan di LCLS.” Di PNNL, Nienhuis menunjukkan bahwa teknik ini juga dapat digunakan untuk mempelajari solusi terkonsentrasi spesifik yang penting untuk IDREAM EFRC dan akan diselidiki pada tahap penelitian berikutnya.

Dari eksperimen hingga teori

Setelah data sinar-X dikumpulkan, ahli kimia teoretis Xiaosong Li dan mahasiswa pascasarjana Lixin Lu dari Universitas Washington menerapkan pengetahuan mereka dalam menafsirkan sinyal sinar-X untuk mereproduksi sinyal yang diamati di SLAC. Tim CFEL, yang dipimpin oleh ahli teori Robin Santra, memodelkan respons air cair terhadap sinar-X attodetik untuk memverifikasi bahwa sinyal yang diamati memang terbatas pada skala waktu attodetik.

“Dengan menggunakan superkomputer Hyak di Universitas Washington, kami mengembangkan teknik kimia komputasi canggih yang memungkinkan karakterisasi terperinci keadaan kuantum energi tinggi sementara dalam air,” kata Li, Ketua Kimia yang Diberkahi Larry R. Dalton di Universitas Washington. Universitas Washington dan Rekan Laboratorium di PNNL. “Terobosan metodologis ini menghasilkan kemajuan penting dalam pemahaman tingkat kuantum tentang transformasi kimia ultracepat, dengan cara yang luar biasa ketepatan dan detail tingkat atom.”

Penyelidik Utama Young memprakarsai penelitian dan mengawasi pelaksanaannya, dipimpin langsung oleh penulis pertama dan rekan pascadoktoral Shuai Li. Fisikawan Gilles Doumy, juga dari Argonne, dan mahasiswa pascasarjana Kai Li dari Universitas Chicago adalah bagian dari tim yang melakukan eksperimen dan menganalisis data. Pusat Bahan Skala Nano Argonne, fasilitas pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan DOE, membantu mengkarakterisasi target jet lapisan air.

Bersama-sama, tim peneliti mengamati pergerakan elektron dalam air secara real-time sementara seluruh dunia diam.

“Metodologi yang kami kembangkan memungkinkan studi tentang asal usul dan evolusi spesies reaktif yang dihasilkan oleh proses yang disebabkan oleh radiasi, seperti yang ditemui dalam perjalanan luar angkasa, pengobatan kanker, reaktor nuklir, dan limbah warisan,” kata Young.

Referensi: “Spektroskopi sinar-x probe pompa attosecond pada air cair” oleh Shuai Li, Lixin Lu, Swarnendu Bhattacharyya, Carolyn Pearce, Kai Li, Emily T. Nienhuis, Gilles Doumy, RD Schaller, S. Moeller, MS – TO . Lin, G. Dakovski, DJ Hoffman, D. Garratt, Kirk A. Larsen, JD Koralek, CY Hampton, D. Cesar, Joseph Duris, Zhang, Nicholas Sudar, James P. Cryan, A. Marinelli, Xiaosong Li, Ludger Inhester , Robin Santra dan Linda Young, 15 Februari 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adn6059

Penelitian ini melibatkan tiga penulis pendamping pertama: S. Li, Lu, dan Swarnendu Bhattacharyya dari DESY. Tiga penulis koresponden adalah X. Li, Santra dan Young.

Pekerjaan ini terutama didukung oleh IDREAM, Pusat Penelitian Perbatasan Energi yang didanai oleh program Departemen Energi, Kantor Sains, Ilmu Energi Dasar. Penggunaan LCLS, Laboratorium Akselerator Nasional SLAC, dan sumber daya dari Pusat Bahan Skala Nano, Laboratorium Nasional Argonne, didukung oleh program DOE Office of Science, Basic Energy Sciences. Dukungan tambahan datang dari DESY dan Cluster of Excellence, “CUI: Advanced Imaging of Matter,” dari Deutsche Forschungsgemeinschaft.